Inginerii de la Universitatea din Massachusetts Amherst au reușit o inovație spectaculoasă în domeniul informaticii: dezvoltarea unui neuron artificial a cărui activitate electrică se potrivește îndeaproape cu cea a celulelor cerebrale naturale. Această descoperire ar putea deschide calea către computere care funcționează cu eficiența sistemelor vii și care s-ar putea chiar conecta direct cu țesutul biologic.
Miezul acestei inovații îl reprezintă nanofirele proteice sintetizate din bacteria producătoare de electricitate Geobacter sulfurreducens, continuând cercetările anterioare ale echipei.
De ce este nevoie de neuronul artificial
Eficiența energetică a creierului uman depășește orice sistem informatic existent, fiind de peste 100 de ori mai mare decât cea a unui circuit de calculator obișnuit.
„Creierul nostru procesează o cantitate enormă de date, dar consumul său de energie este foarte, foarte mic, mai ales în comparație cu electricitatea necesară pentru a rula un Model Lingvistic Extins, precum ChatGPT,” explică Shuai Fu, doctorand în inginerie electrică și informatică la UMass Amherst și autor principal al studiului publicat în Nature Communications.
Pentru a realiza o sarcină precum scrierea unei povești, creierul folosește doar aproximativ 20 de wați, în timp ce un model lingvistic mare poate avea nevoie de peste un megawatt pentru același lucru.
Secretul stă în voltajul biologic
De mult timp, inginerii au încercat să conceapă neuroni artificiali pentru o informatică mai eficientă energetic. Obstacolul major a fost reducerea voltajului pentru a se alinia cu cel al celulelor biologice.
„Versiunile anterioare de neuroni artificiali foloseau de 10 ori mai mult voltaj — și de 100 de ori mai multă putere — decât cel pe care l-am creat noi,” spune Jun Yao, profesor asociat și autor senior al lucrării.
Neuroni creați de echipa sa funcționează la doar 0,1 volți, aproximativ aceeași tensiune ca neuronii din corpul nostru. Acest nivel de voltaj nu doar că face dispozitivul mult mai eficient, dar îl face și suficient de blând pentru a se conecta direct cu neuronii vii, care sunt extrem de sensibili la semnalele electrice puternice.
Aplicații: De la computere bio la dispozitive medicale
Noul neuron artificial, cu consum redus de energie, deschide o gamă largă de aplicații:
Redesignul computerelor: Proiectarea de sisteme informatice radical mai eficiente, inspirate din principii biologice.
Dispozitive electronice directe: Crearea de dispozitive care pot comunica direct cu corpul nostru.
În prezent, sistemele electronice portabile (wearable) de detectare necesită un pas intermediar de amplificare electrică pentru ca semnalul corpului să poată fi citit de un computer. Această amplificare consumă energie și complică circuitul.
„Senzorii construiți cu neuronii noștri de joasă tensiune ar putea elimina complet orice amplificare,” subliniază Yao.
Ingredientul secret care face posibil acest voltaj scăzut și această eficiență este nanofirul proteic derivat din Geobacter sulfurreducens. Aceeași tehnologie microbiană a stat la baza altor invenții remarcabile ale echipei, inclusiv: un biofilm alimentat de transpirație; un „nas electronic” pentru detectarea bolilor; și dispozitive care pot recolta electricitate direct din aer.
Cercetarea a fost susținută de Army Research Office, U.S. National Science Foundation, National Institutes of Health și Alfred P. Sloan Foundation.
Cum ne modifică cofeina somnul la nivel neuronal. Un studiu incredibil
