Створено «м'які» нейроморфні мережі з мікрокрапель для біокомп'ютерів майбутнього

Команда дослідників та інженерів із Пенсільванського штатного університету (Penn State) розробила нову технологію створення м'яких нейроморфних мереж на основі водних мікрокрапель. Розробка, деталі якої опубліковано в журналі Science Advances, закладає основу для створення іонних комп'ютерів, здатних працювати у вологому середовищі організму з мінімальними енерговитратами.

Традиційна електроніка обробляє інформацію за допомогою руху електронів по металевих провідниках. Натомість біологічні нервові системи передають сигнали за допомогою руху заряджених атомів і молекул (іонів) через клітинні мембрани.

Аби відтворити цей процес, науковці застосували наступний підхід. Мікрокраплі води з вмістом ліпідів занурюють у масло. При контакті крапель між ними природним чином формується подвійний ліпідний шар, аналогічний мембранам живих клітин.

Мембрани містять чутливі до напруги канали, через які іони можуть переходити від однієї краплі до іншої.

Кожна крапля може з'єднуватися з 6 сусідніми вузлами, утворюючи штучну взаємопов'язану мережу - «нейроморфну тканину».

Мембрани крапель здатні накопичувати заряд, а іонні канали реагують на поточні та попередні сигнали. Це забезпечує мережу короткостроковою пам'яттю, «що гасне», де реакція на новий імпульс залежить від попередньої активності.

На відміну від кремнієвих комп'ютерів, де процесор та пам'ять розділені, у цій системі обробка даних і збереження пам'яті відбуваються в одному місці (як у людському мозку).

Під час моделювання хаотичних процесів взаємопов'язана мережа крапель знизила помилку передбачення складних сигналів майже на 50% порівняно з ізольованими вузлами.

Мережеві зв'язки та зворотний зв'язок виникають безпосередньо всередині самого матеріалу без використання зовнішніх мікросхем.

Розробка дозволить розв'язати проблему сумісності між традиційною електронікою та біологічними тканинами. Створення звичайних кремнієвих імплантатів вимагає складних перетворювачів електронних сигналів в іонні, що призводить до затримок, викривлень та високого енергоспоживання.

«У випадку з кремнієм для побудови комп'ютера потрібні мікросхеми. У нашому підході сам матеріал є мікросхемою: мембрани зберігають заряд, а іонні канали регулюють сигнали між краплями. Ми сподіваємося, що одного дня ця технологія дозволить створити "желеподібні" комп'ютерні чипи, які доповнять та оптимізують електроніку в тілі людини», - зазначив Джозеф Наджем (Joseph Najem), доцент механічної інженерії Penn State та соавтор дослідження.

Сфера застосування нової технології охоплює м'яку робототехніку, адаптивні біосенсори та прямі комп'ютерні інтерфейси для інтеграції з живими тканинами.

Як безпечно перейти до системного та керованого використання ChatGPT Business