Под руководством исследователей из японского Национального института материаловедения (яп. 物質・材料研究機構) команда учёных создала экспериментальное устройство, демонстрирующее характеристики, напоминающие определённые формы поведения мозга: обучение, запоминание, забывание, бодрствование и сон. Результаты работы опубликованы в Scientific Reports.
«Это система между порядком и хаосом, на краю хаоса, — сказал Джеймс Гимзевский (James Gimzewski), почётный профессор химии и биохимии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (University of California, Los Angeles, UCLA), сотрудник Калифорнийского института наносистем (California NanoSystems Institute at UCLA) и соавтор исследования. — Устройство постоянно эволюционирует и двигается, и это очень похоже на человеческий мозг. Оно может продуцировать различные типы поведенческих паттернов, которые не повторяются».
Потенциально это исследование — один из первых шагов на пути к созданию вычислительных машин, физически и функционально подобных живому мозгу. Предполагается, что такие компьютеры смогут решать задачи, перед которыми пасуют современные системы. Считается, что энергетические затраты подобных мозгу компьютеров также будут значительно ниже, чем у существующих сейчас.
Устройство, с которым работает исследовательская группа, сделано из клубка серебряных нанопроволок средним диаметром 360 нанометров. Нанопроволоки покрыты изоляционным полимером толщиной около 1 нанометра. Устройство очень небольшое — около 10 квадратных миллиметров в горизонтальном сечении.
Нанопроволоки, случайным образом скомпонованные на кремниевой пластине, образовали сильно взаимосвязанные структуры, удивительно похожие на те, что формируют неокортекс, часть мозга, активно участвующую в таких формах деятельности, как восприятие и познание.
От обычных электронных схем нанопроволочную сеть отличает одна важная черта: проходящие через неё электроны вызывают изменения её конфигурации. В ходе исследования через устройство пускали электрический ток — и он вызывал миграцию атомов серебра, в т. ч. сквозь полимерное покрытие, и образование соединений между нанопроволоками. В системе было около 10 миллионом таких соединений. Учёные сочли их похожими на синапсы, места контакта друг с другом нервных клеток.
Пропуская ток через нанопроволочную сеть, исследователи наблюдали «эмерджентное поведение», то есть наличие у сети характеристик, которые нельзя было приписать отдельным составляющим её частям.
После того, как ток протекал по нанопроводам, связь между некоторыми из них сохранялась около минуты, что напоминало процесс обучения и запоминания в мозге. Другие соединения резко обрывались после отключения электричества — это напоминало процесс забывания.
При меньшем потреблении энергии сеть была менее активна, чем при большем. Это противопоставление исследователи уподобили, соответственно, сну и бодрствованию.
«Наш подход может быть полезен для создания новых типов аппаратных средств, которые будут одновременно энергоэффективными и способными обрабатывать сложные наборы данных, бросающие вызов пределам современных компьютеров», — сказал Адам Стиг (Adam Stieg), сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и соавтор исследования.
«Миссия наших исследований — шире, чем просто перепрограммирование существующих компьютеров, — добавил Гимзевский. — Наше видение — это система, способная в конечном итоге решать задачи методом, более близким к тому, которым работает человек».
