Θεωρητικοί φυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης, μαζί με πειραματικούς φυσικούς στο Πανεπιστήμιο Sogang στη Νότια Κορέα, κατάφεραν να κατασκευάσουν μια τεχνητή σύναψη .
Αυτή η σύναψη λειτουργεί με νερό και αλάτι και παρέχει τις πρώτες ενδείξεις ότι ένα σύστημα που χρησιμοποιεί το ίδιο μέσο με τον εγκέφαλό μας μπορεί να επεξεργαστεί σύνθετες πληροφορίες. Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Proceedings of the National Academy of Sciences .
Στην επιδίωξη της ενίσχυσης της ενεργειακής απόδοσης των συμβατικών υπολογιστών, οι επιστήμονες έχουν από καιρό στραφεί στον ανθρώπινο εγκέφαλο για έμπνευση. Στόχος τους είναι να μιμηθούν την εξαιρετική του ικανότητα με διάφορους τρόπους. Αυτές οι προσπάθειες οδήγησαν στην ανάπτυξη υπολογιστών που μοιάζουν με τον εγκέφαλο, οι οποίοι αποκλίνουν από την παραδοσιακή δυαδική επεξεργασία για να υιοθετήσουν αναλογικές μεθόδους παρόμοιες με τον εγκέφαλό μας. Ωστόσο, ενώ ο εγκέφαλός μας λειτουργεί χρησιμοποιώντας νερό και σωματίδια διαλυμένου αλατιού που ονομάζονται ιόντα ως μέσο τους, οι περισσότεροι σημερινοί υπολογιστές εμπνευσμένοι από τον εγκέφαλο βασίζονται σε συμβατικά στερεά υλικά.
Αυτό εγείρει το ερώτημα: δεν θα μπορούσαμε να επιτύχουμε μια πιο πιστή αναπαραγωγή των λειτουργιών του εγκεφάλου υιοθετώντας το ίδιο μέσο; Αυτή η ενδιαφέρουσα πιθανότητα βρίσκεται στην καρδιά του αναπτυσσόμενου πεδίου του ιοντρονικού νευρομορφικού υπολογισμού.
Τεχνητή Σύναψη
Στην τελευταία μελέτη που δημοσιεύτηκε στο PNAS , οι επιστήμονες έχουν, για πρώτη φορά, επιδείξει ένα σύστημα που βασίζεται στο νερό και το αλάτι που παρουσιάζει την ικανότητα να επεξεργάζεται περίπλοκες πληροφορίες, αντικατοπτρίζοντας τη λειτουργικότητα του εγκεφάλου μας. Κεντρικό στοιχείο αυτής της ανακάλυψης είναι μια μικροσκοπική συσκευή διαστάσεων 150 επί 200 μικρόμετρα, η οποία μιμείται τη συμπεριφορά μιας σύναψης – ένα βασικό συστατικό στον εγκέφαλο που είναι υπεύθυνο για τη μετάδοση σημάτων μεταξύ των νευρώνων.
Ο Tim Kamsma, υποψήφιος διδάκτορας στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής και στο Μαθηματικό Ινστιτούτο του Πανεπιστημίου της Ουτρέχτης, και ο κύριος συγγραφέας της μελέτης, εκφράζει τον ενθουσιασμό του, δηλώνοντας: «Ενώ υπάρχουν ήδη τεχνητές συνάψεις ικανές να επεξεργάζονται περίπλοκες πληροφορίες με βάση στερεά υλικά, Δείχνουμε τώρα για πρώτη φορά ότι αυτό το κατόρθωμα μπορεί επίσης να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας νερό και αλάτι». Τονίζει, «Αναπαράγουμε αποτελεσματικά τη νευρωνική συμπεριφορά χρησιμοποιώντας ένα σύστημα που χρησιμοποιεί το ίδιο μέσο με τον εγκέφαλο».
«Ίσως αυτό θα ανοίξει το δρόμο για υπολογιστικά συστήματα που αναπαράγουν πιο πιστά τις εξαιρετικές δυνατότητες του ανθρώπινου εγκεφάλου».
Μετανάστευση ιόντων
Η συσκευή, που αναπτύχθηκε από επιστήμονες στην Κορέα και αναφέρεται ως iontronic memristor, περιλαμβάνει ένα μικροκανάλι σε σχήμα κώνου γεμάτο με διάλυμα νερού και αλατιού. Με τη λήψη ηλεκτρικών ερεθισμάτων, τα ιόντα μέσα στο υγρό μεταναστεύουν μέσω του καναλιού, οδηγώντας σε μεταβολές στη συγκέντρωση ιόντων. Ανάλογα με την ένταση (ή τη διάρκεια) της ώθησης, η αγωγιμότητα του καναλιού προσαρμόζεται ανάλογα, αντικατοπτρίζοντας την ενίσχυση ή την αποδυνάμωση των συνδέσεων μεταξύ των νευρώνων. Η έκταση της αλλαγής στην αγωγιμότητα χρησιμεύει ως μετρήσιμη αναπαράσταση του σήματος εισόδου.
Ένα επιπλέον εύρημα είναι ότι το μήκος του καναλιού επηρεάζει τη διάρκεια που απαιτείται για την εξάλειψη των αλλαγών συγκέντρωσης. «Αυτό υποδηλώνει τη δυνατότητα προσαρμογής καναλιών για τη διατήρηση και επεξεργασία πληροφοριών για ποικίλες διάρκειες, και πάλι παρόμοια με τους συναπτικούς μηχανισμούς που παρατηρούνται στον εγκέφαλό μας», εξηγεί ο Kamsma.
Η γένεση αυτής της ανακάλυψης μπορεί να αναχθεί σε μια ιδέα που συνέλαβε ο Kamsma, ο οποίος ξεκίνησε τη διδακτορική του έρευνα πριν από λίγο καιρό. Μετέτρεψε αυτή την ιδέα – επικεντρωμένη στη χρήση τεχνητών διαύλων ιόντων για εργασίες ταξινόμησης – σε ένα ισχυρό θεωρητικό μοντέλο.
«Συμπτωματικά, οι δρόμοι μας διασταυρώθηκαν με την ερευνητική ομάδα στη Νότια Κορέα κατά τη διάρκεια εκείνης της περιόδου», θυμάται ο Kamsma. «Ασπάστηκαν τη θεωρία μου με μεγάλο ενθουσιασμό και ξεκίνησαν γρήγορα πειραματική εργασία βασισμένη σε αυτήν». Είναι αξιοσημείωτο ότι τα αρχικά ευρήματα υλοποιήθηκαν μόλις τρεις μήνες αργότερα, ευθυγραμμισμένα στενά με τις προβλέψεις που περιγράφονται στο θεωρητικό πλαίσιο του Kamsma. «Σκέφτηκα ουάου!» αντανακλάται. «Είναι απίστευτα ευχάριστο να βλέπουμε τη μετάβαση από τις θεωρητικές εικασίες σε απτά αποτελέσματα του πραγματικού κόσμου, που τελικά καταλήγουν σε αυτά τα όμορφα πειραματικά αποτελέσματα».
Ένα σημαντικό βήμα μπροστά
Ο Kamsma υπογραμμίζει τη θεμελιώδη φύση της έρευνας, υπογραμμίζοντας ότι ο ιοντρονικός νευρομορφικός υπολογισμός, ενώ γνωρίζει ταχεία ανάπτυξη, βρίσκεται ακόμη σε σπάργανο. Το προβλεπόμενο αποτέλεσμα είναι ένα σύστημα υπολογιστή πολύ ανώτερο σε απόδοση και κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με τη σημερινή τεχνολογία. Ωστόσο, το εάν αυτό το όραμα θα υλοποιηθεί παραμένει εικασιακό σε αυτή τη συγκυρία. Ωστόσο, ο Kamsma θεωρεί τη δημοσίευση ως ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός.
«Αντιπροσωπεύει μια κρίσιμη πρόοδο προς τους υπολογιστές που όχι μόνο είναι ικανοί να μιμούνται τα πρότυπα επικοινωνίας του ανθρώπινου εγκεφάλου αλλά και να χρησιμοποιούν το ίδιο μέσο», υποστηρίζει. «Ίσως αυτό θα ανοίξει τελικά το δρόμο για υπολογιστικά συστήματα που αναπαράγουν πιο πιστά τις εξαιρετικές δυνατότητες του ανθρώπινου εγκεφάλου».
photo: pixabay
