Человеческий мозг обрабатывает колоссальные объемы информации, потребляя поразительно мало энергии. Написание текста требует от мозга всего около 20 ватт мощности, в то время как большая языковая модель для той же задачи может потратить более мегаватта. Тело человека работает с электрической эффективностью более чем в 100 раз превышающей типичную компьютерную схему. Миллиарды нейронов в мозге передают электрические сигналы по всему организму, и инженеры давно пытаются воспроизвести эту эффективность искусственно.
Ученые создают искусственные нейроны, которые работают как настоящие
Инженеры Массачусетского университета в Амхерсте создали искусственный нейрон, чья электрическая активность максимально приближена к естественным клеткам мозга. Разработка основана на использовании белковых нанопроводов из электро-производящих бактерий. Технология может открыть путь к компьютерам с энергоэффективностью живых систем и даже к их прямому соединению с биологическими тканями.
Нейрон. iStock
Бактерии Geobacter sulfurreducens — уникальные микроорганизмы, способные выживать без кислорода, получая энергию за счет переноса электронов на металлы и другие вещества во внешней среде. Эти бактерии буквально «дышат» электричеством, используя белковые нанопровода для транспорта электронов наружу. В естественной среде они играют важную роль в геохимических процессах, а их способность генерировать электрический ток сделала их объектом пристального внимания биоинженеров для создания биотопливных элементов и биоэлектронных устройств.
Инженеры Университета Массачусетса создали из бактерий нейроны, вдохновленные живыми организмами, которые могут стать основой для энергоэффективных технологий нового поколения.
Главным препятствием было снижение напряжения до биологического уровня. Предыдущие версии искусственных нейронов использовали в 10 раз больше напряжения и в 100 раз больше мощности, чем новая разработка. Из-за этого они были неэффективны и не могли напрямую взаимодействовать с живыми нейронами, чувствительными к сильным электрическим сигналам. «Разработанные нами нейроны работают при напряжении 0,1 вольта, что примерно соответствует нейронам в наших телах», — говорит Джун Яо, старший автор исследования. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Как работает искусственный нейрон
Создание мемристора, работающего с биологическими параметрами
Секретный ингредиент нового низковольтного нейрона — белковый нанопровод, синтезированный из бактерии Geobacter sulfurreducens, обладающей способностью производить электричество. Команда Яо ранее использовала эти бактерии для создания целого ряда устройств: биопленки, работающей на поте и питающей персональную электронику, «электронного носа» для диагностики болезней, и устройства, собирающего электричество буквально из воздуха.
Применение новых нейронов может быть широким — от перепроектирования компьютеров на новых принципах до электронных устройств, способных напрямую общаться с нашим телом. «У нас есть множество носимых электронных сенсорных систем, но они сравнительно громоздки и неэффективны», — отмечает Яо. Каждый раз, когда они улавливают сигнал от тела, его необходимо электрически усиливать для компьютерного анализа. Этот промежуточный этап усиления увеличивает как энергопотребление, так и сложность схемы, но сенсоры на основе низковольтных нейронов могут обойтись вообще без усиления.