Creierul uman rămâne cea mai complexă și eficientă structură din universul cunoscut. El poate procesa idei care schimbă lumea și poate coordona abilități motorii complicate folosind energia echivalentă obținută dintr-un sandviș și o cafea. Deși cipurile moderne de siliciu pot învinge fără efort un campion mondial la șah, ele au nevoie de milioane de neuroni artificiali pentru a executa sarcini banale pe care un grup minuscul de celule biologice le rezolvă instantaneu.
Până acum, marea problemă a fost natura siliciului. Acest material este rigid, consumă enorm de multă energie și, strict din perspectivă biologică, este destul de limitat. Este un element solid care încearcă disperat să imite un sistem lichid și dinamic. O echipă de oameni de știință de la prestigioasa Universitate Northwestern a găsit însă o metodă revoluționară pentru a schimba această paradigmă tehnologică. Experții au reușit să printeze un sistem complet de neuroni. Folosind cerneluri specializate pe suprafețe flexibile din plastic, ei au creat componente artificiale care nu doar că imită comportamentul creierului, dar reușesc chiar să comunice direct cu celule vii, deschizând un nou capitol în domeniul bioelectronicii.
Cum a fost depășită limitarea cipurilor din siliciu?
Majoritatea neuronilor artificiali creați până în prezent se încadrează la un nivel de complexitate de ordinul întâi. Practic, ei primesc un semnal electric și pur și simplu se activează. Acțiunea este rudimentară, în timp ce neuronii biologici sunt mult mai sofisticați. Complexitatea de nivelul doi presupune o pulsație constantă și spontană, similară cu activitatea celulelor care ne ajută să ne menținem echilibrul fizic. Complexitatea de nivelul trei, pe de altă parte, implică transmiterea unor grupuri rapide de impulsuri, un comportament vital pentru funcțiile măduvei spinării.
Profesorul Mark Hersam, unul dintre coordonatorii principali ai studiului publicat recent în prestigioasa revistă Nature Nanotechnology, explică de ce siliciul nu poate atinge aceste standarde superioare.
„Siliciul atinge complexitatea prin existența a miliarde de dispozitive identice. Totul este la fel, rigid și fix odată ce este fabricat. Creierul este opusul. Este eterogen, dinamic și tridimensional. Pentru a ne îndrepta în acea direcție, avem nevoie de materiale noi și de modalități noi de a construi electronice”, a subliniat profesorul Mark Hersam.
Secretul tehnologic: Cernelurile 2D și disulfura de molibden
Pentru a depăși această barieră, specialiștii au explorat unul dintre materialele-minune ale electronicii moderne: disulfura de molibden (MoS2). Acesta este un material bidimensional (2D), practic o peliculă subțire cu grosimea unui singur atom. Similar grafenului, el oferă o suprafață de contact uriașă în raport cu masa sa minusculă.
Revoluția biocalculatoarelor: Un cip cu neuroni umani a învățat să joace Doom
Publicitate
Echipa de la Northwestern a transformat fulgii de MoS2 într-o soluție lichidă și i-a aplicat pe o suprafață flexibilă folosind o imprimantă specializată. Ingredientul secret al acestui proces a fost căldura. Când curentul electric trece prin acest circuit imprimat, se creează un traseu termic localizat extrem de fin. Această creștere a temperaturii face ca neuronul artificial să își schimbe comportamentul și să genereze impulsuri electrice similare pragurilor de activare din creierul viu.
Când au testat tehnologia, rezultatele au fost uluitoare. Experții au conectat senzorii printați la neuroni extrași de la șoareci și au observat cum celulele vii răspund imediat la stimulii generați de cele sintetice.
„Alte laboratoare au încercat să facă neuroni artificiali cu materiale organice și au avut impulsuri prea lente. Sau au folosit oxizi metalici, care sunt prea rapizi. Suntem într-un interval temporal care nu a fost demonstrat anterior pentru neuronii artificiali. Puteți vedea neuronii vii răspunzând la neuronul nostru artificial. Deci, am demonstrat semnale care nu sunt doar pe scara temporală potrivită, ci și de forma corectă a impulsului pentru a interacționa direct cu neuronii vii”, a explicat Hersam.
Neuroni artificiali: Rezolvarea problemei energetice din inteligența artificială
Această reușită monumentală rezolvă inclusiv o criză sistemică a informaticii moderne: peretele de memorie. Calculatoarele tradiționale pierd cantități masive de energie atunci când mută datele între procesor și memoria internă. Aceasta este cauza pentru care telefoanele mobile se încing și motivul pentru care centrele de date globale consumă acum la fel de mult curent electric cât o țară europeană de mărime medie.
Sistemele biologice ocolesc această risipă. Într-un neuron, procesorul reprezintă însăși memoria. Prin utilizarea acestor memristori imprimați, inginerii pot construi hardware „neuromorfic”. Informația este procesată direct la sursă, cu o eficiență uriașă.
Aplicațiile sunt de-a dreptul science fiction. Teoretic, tehnologia ne va permite să printăm procesoare asemănătoare creierului pe bandaje medicale inteligente, tricouri care monitorizează funcțiile vitale sau membre protetice care se integrează perfect în sistemul nervos uman. Pe parcursul testelor, cercetătorii au creat chiar și un senzor inspirat de retină. Prin adăugarea unui detector de lumină pe baza aceluiași MoS2 printat, sistemul și-a ajustat singur frecvența impulsurilor în funcție de luminozitate, replicând fidel mecanismele ochiului uman.
Profesorul Mark Hersam crede că acest salt va defini viitorul inteligenței artificiale, care depinde exclusiv de puterea de calcul masivă.
„Lumea în care trăim astăzi este dominată de inteligența artificială (IA). Modul în care faceți IA mai inteligentă este prin antrenarea ei pe din ce în ce mai multe date. Această instruire intensivă în date duce la o problemă masivă de consum de energie. Prin urmare, trebuie să venim cu un hardware mai eficient pentru a face față datelor mari și IA. Deoarece creierul este de cinci ordine de mărime mai eficient din punct de vedere energetic decât un computer digital, are sens să privim spre creier pentru inspirație pentru calculul de generație următoare”, a concluzionat autorul principal al studiului.
Revoluția biocalculatoarelor: Primul centru de date bazat pe celule cerebrale umane devine realitate
De ce gândesc bărbații și femeile diferit. Rezultatele unui studiu științific
