Исследователи выращивают мозг из биополимера для создания искусственных нейронных сетей
Разработка нейронных сетей для создания искусственного интеллекта в компьютерах изначально была вдохновлена тем, как работают биологические системы. Однако эти «нейроморфные» сети работают на аппаратном обеспечении, которое совсем не похоже на биологический мозг, что ограничивает производительность.
Теперь исследователи из Университета Осаки и Университета Хоккайдо планируют изменить это, создав нейроморфное «программное обеспечение». Работа посвященная новой технологии была опубликована в журнале Advanced Functional Materials.
Хотя модели нейронных сетей добились значительных успехов в таких приложениях, как генерация изображений и диагностика рака, они по-прежнему сильно отстают от общих вычислительных возможностей человеческого мозга. Отчасти это связано с тем, что они реализованы в программном обеспечении с использованием традиционного компьютерного оборудования, которое не оптимизировано для миллионов параметров и подключений, обычно необходимых для этих моделей.
Нейроморфное программное обеспечение, основанное на мемристивных устройствах, могло бы решить эту проблему. Мемристивное устройство — это устройство, сопротивление которого определяется его историей приложенного напряжения и тока. В этом подходе электрополимеризация используется для соединения электродов, погруженных в раствор прекурсора, с помощью проводов из проводящего полимера. Затем сопротивление каждого провода настраивается с помощью небольших импульсов напряжения, в результате чего получается мемристивное устройство.
— Мегуми Акаи-Касая, старший автор исследования.

Изменение трех значений проводимости G1, G2 и G3 между TE и тремя BE с помощью трехмерной полимерной проводки.
Исследователям удалось вырастить полимерные провода из обычной смеси полимеров под названием «PEDOT:PSS», которая обладает высокой проводимостью, прозрачностью, гибкостью и стабильностью. Трехмерную структуру верхнего и нижнего электродов сначала погружали в раствор прекурсора. Затем провода PEDOT:PSS были выращены между выбранными электродами путем приложения напряжения прямоугольной формы к этим электродам, имитируя формирование синаптических связей посредством направления аксонов в незрелом мозге.
После того, как провод был сформирован, его характеристики, особенно проводимость, контролировались с помощью небольших импульсов напряжения, приложенных к одному электроду, что изменяет электрические свойства пленки, окружающей провода.
Сфабрикованная сеть использовалась для демонстрации неконтролируемого обучения по Хеббу (т. е. когда синапсы, которые часто срабатывают вместе, со временем укрепляют свою общую связь). Более того, исследователи смогли точно контролировать значения проводимости проводов, чтобы сеть могла выполнять свои задачи.
Обучение на основе спайков, еще один подход к нейронным сетям, который более точно имитирует процессы биологических нейронных сетей, также был продемонстрирован путем управления диаметром и проводимостью проводов.
Затем, изготовив чип с большим количеством электродов и используя микрожидкостные каналы для подачи исходного раствора к каждому электроду, исследователи надеются построить более крупную и мощную сеть. В целом, подход, определенный в этом исследовании, является большим шагом к реализации нейроморфного программного обеспечения и сокращению разрыва между когнитивными способностями людей и компьютеров.
Теперь исследователи из Университета Осаки и Университета Хоккайдо планируют изменить это, создав нейроморфное «программное обеспечение». Работа посвященная новой технологии была опубликована в журнале Advanced Functional Materials.
Хотя модели нейронных сетей добились значительных успехов в таких приложениях, как генерация изображений и диагностика рака, они по-прежнему сильно отстают от общих вычислительных возможностей человеческого мозга. Отчасти это связано с тем, что они реализованы в программном обеспечении с использованием традиционного компьютерного оборудования, которое не оптимизировано для миллионов параметров и подключений, обычно необходимых для этих моделей.
Нейроморфное программное обеспечение, основанное на мемристивных устройствах, могло бы решить эту проблему. Мемристивное устройство — это устройство, сопротивление которого определяется его историей приложенного напряжения и тока. В этом подходе электрополимеризация используется для соединения электродов, погруженных в раствор прекурсора, с помощью проводов из проводящего полимера. Затем сопротивление каждого провода настраивается с помощью небольших импульсов напряжения, в результате чего получается мемристивное устройство.
Был продемонстрирован потенциал создания быстрых и энергоэффективных сетей с использованием одномерных и двумерных структур. Наша цель состояла в том, чтобы распространить этот подход на построение трехмерной сети
— Мегуми Акаи-Касая, старший автор исследования.

Изменение трех значений проводимости G1, G2 и G3 между TE и тремя BE с помощью трехмерной полимерной проводки.
Исследователям удалось вырастить полимерные провода из обычной смеси полимеров под названием «PEDOT:PSS», которая обладает высокой проводимостью, прозрачностью, гибкостью и стабильностью. Трехмерную структуру верхнего и нижнего электродов сначала погружали в раствор прекурсора. Затем провода PEDOT:PSS были выращены между выбранными электродами путем приложения напряжения прямоугольной формы к этим электродам, имитируя формирование синаптических связей посредством направления аксонов в незрелом мозге.
После того, как провод был сформирован, его характеристики, особенно проводимость, контролировались с помощью небольших импульсов напряжения, приложенных к одному электроду, что изменяет электрические свойства пленки, окружающей провода.
Сфабрикованная сеть использовалась для демонстрации неконтролируемого обучения по Хеббу (т. е. когда синапсы, которые часто срабатывают вместе, со временем укрепляют свою общую связь). Более того, исследователи смогли точно контролировать значения проводимости проводов, чтобы сеть могла выполнять свои задачи.
Обучение на основе спайков, еще один подход к нейронным сетям, который более точно имитирует процессы биологических нейронных сетей, также был продемонстрирован путем управления диаметром и проводимостью проводов.
Затем, изготовив чип с большим количеством электродов и используя микрожидкостные каналы для подачи исходного раствора к каждому электроду, исследователи надеются построить более крупную и мощную сеть. В целом, подход, определенный в этом исследовании, является большим шагом к реализации нейроморфного программного обеспечения и сокращению разрыва между когнитивными способностями людей и компьютеров.
- Алексей Павлов
- Naruki Hagiwara et al., Advanced Functional Materials
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Кто убивает итальянских волков: зоологи были потрясены кадрами с автоматической камеры
Трагический эпизод показал, что некоторые зоологические теории придется кардинально пересмотреть. У серых хищников есть неожиданные враги...
Очередной миф Николая Карамзина полностью развеян российскими археологами
Оказалось, что Иван Грозный не убивал супругу своего младшего брата. Напротив, с княгиней Ульянией Углицкой случалась куда более таинственная и запутанная...
Самая запрещенная русская сказка: почему «Курочку Рябу» не любили ни цари, ни руководители СССР?
Чтобы эту историю можно было рассказывать советским детям, ее сюжет пришлось изменить самым радикальным образом. Но, может быть, это и к лучшему...
Американский «Чернобыль-80»: эта катастрофа едва не изменила всю историю США
Эксперты говорят: лишь счастливая случайность не позволила взорваться заряду в 600 (!) раз мощнее хиросимской бомбы...
300-летний секрет «золотых» скрипок Страдивари наконец-то разгадан?
И почему ученые в поисках тайны забрели в отдаленную долину в самом сердце Итальянских Альп?...
80 лет без Звезды Героя: почему офицер, поставивший Знамя Победы, не получил заслуженную награду при жизни?
Только указ Президента России смог исправить одну из самых вопиющих несправедливостей в советской истории...
«Кровавая» история водопада Блад-Фоллс: почему ученые сравнивают это место с Марсом?
Эта антарктическая аномалия больше века не давала покоя исследователям, но в 2018 году завеса тайны все же приоткрылась...
Гениальное ДНК-«мошенничество»: ученые раскрыли секрет рыбы, которая плевать хотела на главные законы биологии
100 000 лет успешного клонирования: амазонская моллинезия просто... копирует себя. И при этом удивительно успешно ремонтируют поврежденные гены, насмехаясь над...
Каменный топор со дна реки может переписать древнейшую историю Сибири
По словам ученых, получился отличный научный детектив: добыча золота, артефакт бронзового века, забытая цивилизация...
Почему на Иран обрушился черный дождь и насколько он опасен?
Экологи говорят: агрессивные действия США и Израиля поставили под угрозу здоровье миллионов людей по всей планете...
43 000 черепков открыли тысячелетние тайны Древнего Египта
Почему глиняная библиотека Атрибиса потрясла весь археологический мир?...