Бактериальные белковые структуры в сочетании с металлическими электродами позволили создать устройство, способное к обучению и формированию новых взаимосвязей.
Ученые из Массачусетского университета в Амхерсте разработали нейроморфный мемристор, использующий белковые нанонити. Данное устройство, представляющее собой разновидность искусственного мозга, может передавать сигналы при минимальном напряжении, составляющем всего несколько десятков милливольт. Статья об этом опубликована в Nature Communications.
Тианда Фу, ведущий автор исследования, отмечает, что значительным вызовом при разработке нейроморфных вычислительных систем является тот факт, что обычные компьютеры функционируют при более высоком напряжении, чем один вольт. В то время как потенциалы действия, передаваемые нейронами в мозге, составляют около 80 милливольт. Используя белковые нанонити, Фу и его команда разработали мемристоры, способные работать при «нейрологических» уровнях напряжения.
Для изготовления устройства электропроводящие протеиновые нити были получены из бактериальных белков Geobacter sulfurreducens. Белковые наноструктуры обладают рядом преимуществ по сравнению с кремниевыми нанопроводам. В частности, они демонстрируют большую стабильность в водных растворах и биологических жидкостях, а их синтез не предполагает использования энергозатратных методов и опасных химических соединений.
«Первое вычислительное устройство способно функционировать при уровне напряжения, аналогичном напряжению в мозге, — заявляет соавтор исследования Цзюнь Яо, эксперт в области вычислительной техники и электроники. По его словам, создание устройства, демонстрирующего столь же высокую энергоэффективность, казалось нереальным, но теперь у нас есть убедительные свидетельства вычислительных возможностей с минимальным энергопотреблением. Цзюнь Яо считает, что их разработка знаменует собой значительный прогресс в компьютерной технике.
Ключевым элементом функционирования мемристора является способность белков G.sulfurreducens индуцировать электрохимическое восстановление металлов. Устройство состоит из двух серебряных электродов на силикатной подложке; пространство между электродами заполнено бактериальными наноструктурами. Подача сигналов на электроды приводила к тому, что в нанонитях возникали новые соединения и разветвления размером в сотни раз меньше диаметра человеческого волоса.
Процесс имеет некоторое сходство с формированием новых нейронных связей в человеческом мозге. По словам Цзюнь Яо, проводимость или пластичность нановолоконно-мемристорного синапса может быть изменена, чтобы он имитировал биологические элементы, необходимые для вычислений, основанных на принципах работы мозга. В отличие от традиционного компьютера, это устройство обладает способностью к обучению, не зависящей от программного обеспечения».
В дальнейшем создатели нового мемристора намерены всесторонне исследовать химические, биологические и электронные свойства белковых нанопроводов в мемристорах. Это позволит создать устройства, способные функционировать как полноценные аналоги нейронов в мозге».