رونمایی از قطعات الکترونیکی که از مغز انسان در یادگیری موثر تقلید می‌کنند

فقط ۱۰ سال پیش، برای دانشمندان داشتن دستگاهی که با استفاده از ابزارهای مینیاتوری به نام ممریستورها مانند سیناپس‌های واقعی مغز عمل‌کند، رویایی بیش نبود.

اما اکنون تیمی در دانشگاه ماساچوست امرست، در راه درک بهتر نانوسیم‌های پروتئینی، کشف‌کرده‌است که چگونه از این رشته‌های بیولوژیکی و رسانای الکتریکی برای ساختن یک ممریستور شبیه ‌به ‌عصب یا دستگاه "ترانزیستور حافظه" استفاده کنند. این مهم در توان پایین، همانند آنچه در مغز انسان دیده می‌شود، به شدت موثر کار می‌کند تا سیگنال‌های بین نورون‌ها را با قدرت بسیار کمی ارسال کند. جزئیات در ژورنال Nature Communications قابل‌ مطالعه ‌است.

به عنوان نویسنده‌ی اول، دکتر تیاندا فو، استاد مهندسی برق و کامپیوتر، توضیح می‌دهد: "یکی از بزرگترین موانع محاسبات عصبی، و یکی از مواردی که آن را غیرقابل دستیابی می‌سازد این است که اکثر رایانه‌های معمولی با بیش از ۱ ولت کار می‌کنند، در‌حالی که مغز سیگنال‌هایی به نام پتانسیل‌عمل را در حدود ۸۰ میلی‌ولت بین نورون‌ها می‌فرستد. امروز، یک دهه پس از آزمایش های اولیه، ولتاژ مِمریستور به دامنه‌ای نزدیک به رایانه‌های مرسوم رسیده است، اما پایین‌تر از آن غیرممکن به نظر می‌رسد.

فو گزارش داد كه با استفاده از نانوسيم‌هاي پروتئيني كه از باكتري Geobacter در UMass Amherst توسط دِرِک لاولی، ميكروب شناس و همکارش در نگارش این مقاله، ساخته‌شده‌است، او اكنون آزمايش‌هايي را انجام داده است كه در آن مِمریستورها به ولتاژ‌هاي عصبي رسيده‌اند. این آزمایشات در آزمایشگاه تحقیقات مهندسی برق و کامپیوتر و آزمایشگاه جون یائو، دیگر دستیارش در نگارش این مقاله، انجام شد.

یائو می گوید: "این اولین بار است که یک دستگاه می‌تواند در ولتاژ مغز کار کند. مردم احتمالاً حتی جرات نمی‌کردند که امیدوار باشند که ما بتوانیم وسیله‌ای را تولید کنیم که به اندازه‌ی همانندهای بیولوژیکی‌اش در مغز کارآمد باشد. اما اکنون ما شواهدی واقع‌گرایانه از قابلیت محاسبات فوق‌العاده کم توان (از نظر الکتریکی) داریم. این یک پیشرفت محتوایی است و فکر می‌کنیم این امر باعث می‌شود اکتشاف‌های زیادی در ساخته‌های الکترونیکی که در بستر ولتاژ بیولوژیکی کار می‌کنند، صورت گیرد."

لاولی خاطرنشان كرد كه نانوسیم‌های پروتئینیِ رسانای الکتریکیِ Geobacter نسبت به نانوسیم‌های گران‌قیمت سیلیكونی، كه برای تولید آن نیاز به مواد شیمیایی سمی و فرآیندهای پرانرژی است، مزایای بسیاری را ارائه می‌دهند. نانوسيم‌هاي پروتئينی در آب و يا مايعات بدن با ثبات‌تر هستند که این يكي از ويژگي‌هاي مهم براي كاربرد‌هاي زيست پزشكي است. او می‌افزاید: برای این کار، محققان نانوسیم‌ها را از باکتری‌ها جدا می‌کنند تا فقط پروتئین رسانا مورد استفاده قرار بگیرد.

فو می‌گوید که او و یائو تصمیم‌گرفته‌اند نانوسیم‌های تصفیه شده را مورد ارزیابی قرار دهند تا ببینند مثلاً در ولتاژ‌های مختلف چه خروجی‌ای از خود نشان می‌دهند. آنها با یک الگوی خاموش-روشن پالسی، ارسال بار مثبت-منفی را از طریق یک رشته‌ی فلزی ریز در یک مِمریستور، آزمایش کردند که منجر به ساخت یک سوئیچ الکتریکی می‌شود.

آنها از رشته‌ی فلزی استفاده‌کردند؛ چرا که نانوسیم‌های پروتئینی باعث تسهیل تقلیل فلز، تغییر واکنش‌پذیری یونی فلز و خاصیت انتقال الکترون می‌شوند. لاولی می‌گوید این توانایی میکروبی خیلی شگفت‌آور نیست، زیرا نانوسیم‌های باکتریایی به صورت شدید واکنش داده و فلزات را تقلیل (شیمیایی) می‌دهند تا انرژی خود را همانطور که ما با تنفس اکسیژن این کار را ‌می‌کنیم، تامین کنند.

یائو توضیح می‌دهد که پالس های خاموش-روشن باعث ایجاد تغییر در رشته‌های فلزی می‌شوند، انشعابات و اتصالات جدید ایجاد‌شده در این دستگاه کوچک، ۱۰۰ برابر کوچکتر از قطر موهای انسان است. این فرآیند تأثیری شبیه به یادگیری - اتصالات جدید - در یک مغز واقعی ایجاد می‌کند. وی می‌افزاید: شما می‌توانید رسانایی یا انعطاف‌پذیری سیناپس نانوسیم-ممریستور را تنظیم نمایید تا بتواند اجزای بیولوژیکی را برای محاسبات شبیه به مغز تقلید کند. در مقایسه با رایانه‌های مرسوم، این دستگاه توانایی یادگیری‌ای دارد که مبتنی بر نرم‌افزار نیست."

فو یادآوری می‌کند: "در اولین آزمایشاتی که انجام‌دادیم، عملکرد نانوسیم‌ها رضایت‌بخش نبود، اما این برای ما کافی بود که ادامه دهیم."

بعد از دو سال، او پیشرفت‌هایی را مشاهده می‌کرد تا یک روز سرنوشت ساز که او و یائو با مقیاس‌های ولتاژی که روی صفحه رایانه ظاهر می‌شد، میخکوب شدند!

منبع: phys.org