Mózg człowieka to najbardziej energooszczędny komputer, jaki znamy. Przetwarza niewyobrażalną ilość informacji, a potrzebuje do tego zaledwie ok. 20 W energii – mniej więcej tyle, ile żarówka LED. Dla porównania, aby model językowy – taki jak ChatGPT – napisał prosty tekst, potrzeba nawet ponad 1 MW mocy. Różnica między biologią a elektroniką jest więc kolosalna. Nic dziwnego, że naukowcy od dekad próbują zrozumieć i odtworzyć sposób działania neuronów, aby budować komputery wzorowane na naturze.
Czytaj też: Sztuczne neurony uczą się same. Przełomowe badania przybliżają AI do biologicznego mózgu
Problemem było jednak napięcie. Sztuczne neurony projektowane w ostatnich latach działały przy napięciu dziesięciokrotnie wyższym niż neurony w ludzkim mózgu, co nie tylko czyniło je mało efektywnymi, ale także uniemożliwiało bezpośrednie podłączenie ich do żywych komórek.
Sztuczne neurony działają jak prawdziwe
Zespół kierowany przez Shuai Fu i Juna Yao z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej UMass Amherst zaprezentował rozwiązanie tego problemu. Ich sztuczne neurony rejestrują zaledwie 0,1 V – dokładnie tyle, ile potrzebują neurony w naszym ciele. To oznacza, że po raz pierwszy udało się zbudować układ elektroniczny zdolny do prowadzenia bezpośredniego dialogu z żywymi komórkami nerwowymi, co opisano w Nature Communications.
Czytaj też: Neurony jak światłowody? Mózg może działać inaczej, niż sądziliśmy
Shuai Fu z UMass Amherst mówi:
Nasz mózg przetwarza ogromne ilości danych, a jego zużycie energii jest niezwykle niskie – szczególnie w porównaniu z tym, ile prądu pochłaniają dzisiejsze komputery czy modele sztucznej inteligencji.
Poprzednie wersje sztucznych neuronów potrzebowały dziesięciokrotnie wyższego napięcia i stukrotnie większej mocy niż nasze. Nie były ani efektywne, ani kompatybilne z żywą tkanką. Naukowcom z UMass Amherst udało się zejść do poziomu 0,1 V, co odpowiada naturalnym neuronom.
Kluczem do sukcesu okazały się nanodruty białkowe wytwarzane przez niezwykłe bakterie Geobacter sulfurreducens. Ten mikroorganizm ma zdolność przewodzenia prądu elektrycznego i od lat fascynuje naukowców. Zespół Juna Yao wykorzystał jego właściwości już wcześniej do stworzenia biofilmu zasilanego ludzkim potem, który potrafił generować energię dla urządzeń przenośnych, czy elektronicznego “nosa” zdolnego do wykrywania chorób na podstawie lotnych związków chemicznych. Udało się także opracować urządzenia zbierające energię “z powietrza”, które mogą działać na niemal dowolnej powierzchni.
W przypadku sztucznych neuronów nanodruty białkowe pozwoliły zbudować układ o wyjątkowo niskim poborze mocy i kompatybilny elektrycznie z biologicznymi komórkami. To właśnie dzięki nim możliwe było osiągnięcie napięcia 0,1 V.
Nowa technologia otwiera perspektywę tworzenia komputerów działających według bioinspirowanych zasad. Ich architektura mogłaby przypominać funkcjonowanie mózgu, a wydajność energetyczna przewyższałaby wszystko, co znamy z tradycyjnych układów krzemowych. Ale potencjalne zastosowania nie kończą się na komputerach. Jak zauważa Yao, sztuczne neurony mogą całkowicie zmienić sposób, w jaki projektuje się urządzenia medyczne i sensory biologiczne:
Obecnie wszystkie systemy ubieralne potrzebują wbudowanych wzmacniaczy, które podbijają sygnał z ciała, aby komputer mógł go odczytać. To zwiększa zużycie energii i komplikację układów. Nasze neurony o niskim napięciu mogą odczytywać sygnały bezpośrednio, bez żadnej amplifikacji.
Oznacza to, że w przyszłości można wyobrazić sobie urządzenia medyczne bezpośrednio komunikujące się z komórkami pacjenta, protezy neurologiczne bardziej naturalnie współpracujące z układem nerwowym, a nawet interfejsy mózg-komputer, które nie wymagają skomplikowanej elektroniki pośredniczącej.
Droga do praktycznych zastosowań jest jeszcze długa. Trzeba sprawdzić, jak sztuczne neurony zachowują się w długotrwałym kontakcie z tkanką, czy są odporne na degradację biologiczną i czy można je produkować na masową skalę. Jednak samo osiągnięcie zgodności napięcia między neuronem sztucznym a biologicznym to kamień milowy, który może otworzyć nową erę bioelektroniki.