Инженеры разработали инновационный метод печати электронных устройств, которые не просто копируют форму биологических структур, но и воспроизводят их сложный «язык» общения. Основой технологии стали специальные чернила из наночастиц дисульфида молибдена и графена, наносимые на гибкую полимерную подложку.
Напечатанные на принтере нейроны могут взаимодействовать с живыми клетками мозга
Инженеры Северо-Западного университета создали гибкие искусственные нейроны, способные имитировать сигналы живых клеток и напрямую с ними взаимодействовать. Устройству удалось успешно передать импульсы тканям мозга мыши, что открывает путь к созданию совершенных нейропротезов и энергоэффективных систем ИИ.
В лаборатории с помощью аэрозольного струйного принтера на гибкую полимерную подложку наносятся электронные чернила. Mark Hersam/Northwestern University
Плодотворная ошибка. Секрет успеха кроется в «ошибке», которую раньше пытались устранить. В электронных чернилах всегда присутствует полимер-стабилизатор. Раньше его полностью выжигали, считая помехой для тока. Исследователи из Северо-Западного университета решили лишь частично разлагать этот полимер. При прохождении тока внутри него возникают тончайшие нити — филаменты. Именно через эти узкие каналы ток проходит рывками, создавая характерный «взрывной» импульс, почти идентичный разряду настоящего биологического нейрона.
В отличие от жестких кремниевых чипов, где миллиарды транзисторов выполняют одинаковые функции, новые искусственные нейроны способны на динамическое поведение. Новые искусственные нейроны генерируют разнообразные электрические паттерны: одиночные спайки, непрерывные серии импульсов и вспышки активности. Это позволяет каждому элементу кодировать больше информации, значительно сокращая количество необходимых компонентов в системе. Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
Натриевые каналы в мембране нейроны формируют его потенциал действия
Марк Херсам, руководивший исследованием, отмечает важность таких разработок: «Способ сделать ИИ умнее заключается в обучении его на все большем количестве данных. Это приводит к масштабной проблеме энергопотребления. Поскольку мозг на пять порядков эффективнее цифрового компьютера, имеет смысл искать в нем вдохновение для вычислительной техники следующего поколения».
В процессе работы устройства, внутри него формируются проводящие каналы, имитирующие работу ионных каналов в живой клетке. Это делает технологию не только функциональной, но и дешевой в производстве.
Биологический резонанс и экология
Главным этапом работы стала проверка совместимости с живой материей. В сотрудничестве с нейробиологами команда испытала нейроны на срезах мозжечка мыши. Выяснилось, что искусственные сигналы идеально совпадают с биологическими по времени и форме.
Активация нейронов под воздействием света. Gerry Shaw.
Ранее подобные попытки либо давали слишком медленный отклик, либо работали избыточно быстро. Новая разработка попала точно в нужный временной диапазон, заставив живые клетки реагировать на сигналы устройства как на свои собственные. Это критически важно для медицины будущего, где подобные импланты смогут возвращать людям слух, зрение и подвижность.
Помимо медицинских перспектив, проект решает глобальную экологическую задачу. Современные дата-центры, обслуживающие нейросети, потребляют гигаватты энергии и требуют колоссальных запасов воды для охлаждения. Переход на архитектуру, вдохновленную биологией, позволит создавать компактные и «холодные» вычислительные системы. Метод аэрозольной струйной печати минимизирует отходы, так как материал наносится только там, где он необходим. Ученые создали мост между живой тканью и электроникой, который одновременно защищает планету от энергетического кризиса.