
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

Выяснилось, что суша вокруг Аральского моря... стремительно поднимается
И ученые сумели разгадать эту удивительную загадку природы....

В каменных гробницах древней Ирландии похоронены вовсе не те, о ком думали ученые
Генетический анализ переписывает историю неолита....

Тайна последнего Папы: сбудется ли пророчество XII века?
Три Петра, один престол: что об этом говорят историки и сам Ватикан?...

Что 220 дней в космосе сделали с 70-летним мужчиной?
Старейший астронавт NASA возвратился на Землю....

Застукали: антарктического гигантского кальмара впервые запечатлели в естественной среде
Прошёл век после открытия вида....

Невероятная история единственного человека, которому удалось проникнуть в Зону 51
Джерри Фримен не только выбрался оттуда, но и рассказал, что увидел....

«Двух монстров» засняли на камеру в знаменитом шотландском озере
Ученые не верят, но кого тогда видел очевидец?...

Американские военные приступили к строительству орбитального авианосца
Пентагон говорит, что это исключительно ради мира. Но эксперты прогнозируют военную эскалацию в космосе....

Оказывается, римляне периодически врали о своих победах в исторических хрониках
Недавно археологи обнаружили в Судане очередное яркое тому подтверждение....

Бетон в туннелях для автотранспорта гниёт удивительно быстро
Казалось бы прочный материал гложут микробы....

Китай испытал новейшую водородную, но не ядерную бомбу
Кто-то говорит, что это инновация, а кто-то, что такое уже было в СССР....

Ученые заставили человеческий глаз видеть совершенно новый цвет
Он называется оло, и его практически не описать словами....

Шимпанзе устраивают пьяные вечеринки
Похоже, у человека и близких видов это в крови....

Вороны еще раз подтвердили свою гениальность
Исследование показало, что эти птицы отлично распознают… геометрические фигуры....

Ученые доказали: вода на Земле не из космоса, а своя собственная
Она зародилась «автоматически». И это в корне меняет теорию жизни во Вселенной....

Нюхали чужие футболки: женщины полагаются на запах при выборе друзей
Наука требует странных опытов....