Ученые создали электронный чип, главной составляющей которого является нейроморфная сеть из серебряных нанотрубочек, которая при прохождении по ней электрического тока, ведет себя аналогично нейронной сети головного мозга, описание устройства приведено в журнале Scientific Reports.
Известно, что мозг имеет сложную сетевую структуру, сигнал в которой передается посредством распространения электрического импульса по сети.
Американские ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе совместно с их коллегами из Национального института материаловедения Японии (NIMS) создали нейроморфную сеть — по сути дела, действующую модель мозга.
Устройство представляет собой спутанный «клубок» тончайших серебряных нанопроволок со средним диаметром 360 нанометров, покрытых изолирующим полимером толщиной всего 1 нанометр. Размер всего устройства составляет 10 квадратных миллиметров.
Случайным образом собранные на кремниевой пластине нанопроволоки сформировали высокоорганизованные структуры, которые удивительно похожи на те, которые формируют неокортекс — часть мозга, участвующую в высших функциях, таких как язык, восприятие и познание. В местах пересечения нанопроводов из-за миграции атомов серебра через полимерное покрытие образовались соединения, аналогичные нейронным синапсам, благодаря которым соединяются и общаются клетки мозга. Всего система создала около 10 миллионов таких соединений, сообщает РИА Новости.
Каждый раз, когда ученые прикладывали напряжение к двум концам нейроморфной сети, она «пыталась» найти оптимальные, наиболее электрически эффективные пути, то есть «синаптические элементы» совместно работали над оптимизацией переноса тока. Возникали самоорганизующиеся динамические процессы.
Измеряя параметры этих процессов — время текущего пути, задержек и деактивации, — авторы обнаружили, что они очень похожи на параметры процессов, происходящих в мозге.
Используя нейроморфную наносеть, ученые смогли воспроизвести электрические характеристики, аналогичные тем, которые связаны с уникальными для человека функциями мозга высокого порядка, такими как запоминание, обучение, забывание, бодрствование и сон.
В одних случаях, когда ток протекал через сеть, связи между нанопроволоками сохранялись в течение одной минуты, что напоминало процесс обучения и запоминания, в других случаях связь резко обрывалась после окончания заряда, имитируя процесс забывания. В других экспериментах ученые обнаружили, что при малом расходе энергии устройство демонстрирует поведение, соответствующее состоянию сна. При большей мощности сеть вела себя как бодрствующий мозг.
«Устройство постоянно развивается. Оно может «придумать» различные модели поведения, которые не повторяются. Это очень похоже на то, как ведет себя человеческий мозг, — приводятся в пресс-релизе NIMS слова авторов работы. — Наш подход может быть полезен для создания новых типов оборудования, которые являются одновременно энергоэффективными и способны обрабатывать сложные наборы данных».
Известно, что компьютерные серверы, на которых выполняются трудоемкие задачи, используют в сотни раз больше электроэнергии, чем человеческий мозг. Ученые надеются, что предложенная ими технология будет использована при создании умных машин, построенных на принципиально иных принципах, чем те, которые используются в современных компьютерах.
