Zespół badawczy z Loughborough University, Salk Institute oraz University of Southern California opracował transneuron, czyli sztuczny neuron zdolny do przełączania między różnymi funkcjami mózgowymi z niemal stuprocentową dokładnością. Tego typu odkrycie może fundamentalnie zmienić sposób projektowania systemów sztucznej inteligencji i robotyki.
Elektroniczny kameleon zamiast GPU. Ten sztuczny neuron myśli jak mózg i prawie nie zużywa prądu
Podstawę działania transneurona stanowi memrystor, a więc nanoskopowy komponent, który fizycznie przekształca się pod wpływem przepływającego prądu. Wewnątrz tego mikroskopijnego urządzenia atomy srebra tworzą i rozłączają maleńkie mostki, generując impulsy elektryczne niezwykle podobne do tych obserwowanych w biologicznych neuronach. Ta dynamiczna struktura umożliwia zmianę zachowania urządzenia bez konieczności jego przeprogramowywania.
Czytaj też: Zszedł w głębiny, a Chiny dostały skarb. Głębinowe górnictwo to już nie marzenia
Badacze odkryli, że modyfikując parametry takie jak temperatura, napięcie czy rezystancja w obwodzie, transneuron automatycznie przełącza się między różnymi trybami działania. Urządzenie potrafi emulować regularne, rytmiczne wyładowania charakterystyczne dla neuronów wzrokowych, nieregularne impulsy typowe dla obszarów planowania ruchów, a także seryjne wybuchy aktywności znane z neuronów motorycznych. Wszystko to odbywa się bez ingerencji w kod programistyczny.
Naukowcy przetestowali swoje urządzenie, porównując generowane przez nie impulsy z zapisami aktywności rzeczywistych neuronów makaków. Wyniki okazały się imponujące – transneuron odtworzył wzorce aktywności z trzech różnych regionów kory mózgowej z idealną precyzją. Co istotne, urządzenie nie tylko naśladowało aktywność, ale faktycznie przetwarzało informacje. Gdy badacze modyfikowali sygnały wejściowe, transneuron odpowiednio zmieniał częstotliwość wyładowań, zachowując się dokładnie jak jego biologiczne odpowiedniki.
Niespotykana efektywność energetyczna transneurona
Jedną z najbardziej zaskakujących cech transneurona jest jego niezwykle niskie zapotrzebowanie na energię. Szacunki wskazują na zużycie rzędu 0,1 pikodżula na cykl oscylacji, a to akurat wartość tak minimalna, że trudno ją sobie wyobrazić. Przy częstotliwości pracy 0,1 gigaherca urządzenie konsumowałoby zaledwie 10-5 wata. To miliony razy mniej niż konwencjonalne układy komputerowe wykonujące podobne zadania, a tak znakomita efektywność energetyczna otwiera możliwości zastosowań, które dotychczas pozostawały w sferze teorii. Transneuron wykazuje również wrażliwość na zmienne środowiskowe takie jak ciśnienie i temperatura, co czyni go idealnym kandydatem do budowy zaawansowanych sztucznych systemów sensorycznych. Taka właśnie środowiskowa czułość może prowadzić do rozwoju szybszych i bardziej energooszczędnych komputerów.
Szczególnie intrygująca jest także zdolność pojedynczego transneurona do wykonywania zadań, które normalnie wymagałyby wielu sztucznych neuronów. Kiedy naukowcy podali urządzeniu dwa sygnały jednocześnie, zareagowało ono różnie w zależności od ich synchronizacji, a to akurat zachowanie typowe dla złożonych sieci neuronowych. Oznacza to, że możliwe byłoby znaczne uproszczenie architektur sztucznej inteligencji poprzez zastąpienie całych grup konwencjonalnych neuronów pojedynczymi transneuronami.
Kora mózgowa na układzie scalonym i perspektywy robotyki
Naukowcy nie planują ograniczać się do pojedynczego neuronu. Kolejnym etapem prac jest konstrukcja sieci transneuronów, czyli struktury, którą zespół określa mianem “kory mózgowej na chipie”. Taka konfiguracja mogłaby umożliwić robotom percepcję i adaptację w czasie rzeczywistym, bo w sposób znacznie bardziej zbliżony do ludzkiego. Potencjalne zastosowania sięgają jeszcze dalej. Dr Pavel Borisov z Loughborough University sugeruje, że w przyszłości tego typu urządzenia mogłyby łączyć się z ludzkim układem nerwowym lub pomagać naukowcom w badaniu mechanizmów świadomości. Chociaż brzmi to futurystycznie, to podstawy technologiczne są już przygotowane.
Transneuron reprezentuje coś więcej niż kolejny postęp w rozwoju sztucznej inteligencji. Stanowi dowód, że możemy tworzyć sprzęt działający na zasadach podobnych do biologicznego mózgu, a nie tylko symulujący jego aktywność w oprogramowaniu. Dzięki ekstremalnie niskiemu zużyciu energii i zdolności do rekonfiguracji bez przeprogramowania ta technologia ma potencjał, by zrewolucjonizować robotykę, interfejsy mózg-maszyna oraz nasze rozumienie świadomości. Droga od pojedynczego neuronu do pełnoprawnej kory na chipie wciąż pozostaje długa, ale pierwszy, najtrudniejszy krok już został wykonany.
Patrząc realistycznie na rozwój transneuronów, warto zachować umiarkowany optymizm. Chociaż wyniki badań opublikowanych w Nature Communications są imponujące, między laboratoryjnym prototypem a komercyjnym zastosowaniem zwykle dzieli nas długa droga. Technologia wymaga jeszcze wielu testów i udoskonaleń, zanim trafi do powszechnego użytku. Niemniej jednak kierunek obrany przez naukowców wydaje się niezwykle obiecujący i może w przyszłości przyczynić się do powstania zupełnie nowej generacji systemów obliczeniowych.