Тесен мир, мозг же человека необъятен (Фридрих Шиллер).
Весьма короткая, но невероятно точная мысль. Человеческий мозг и по сей день остается загадкой для ученых. Да, мы уже давно знаем что и как работает, какой участок отвечает за какие действия. Однако это лишь азы нейробиологии. Сказать, что мозг понятен нам как дважды два, значит сильно заблуждаться. И как, не разобравшись с собственным мозгом, пытаться создать искусственный? Глупость ли это или же амбициозность? И дело идет не о собранных до кучи железках, которые направляют куда надо электрические импульсы, тем самым имитируя мозг человека. Дело идет о полноценном искусственном мозге. Попытки создать нечто подобное не редки в мире науки. В мире науки вообще сложно найти то чем еще никто не занимался. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованиями, нацеленными на реализацию молекулярного нейроморфного сетевого устройства, которое состоит из углеродных одностенных нанотрубок в сопряжении с полиоксометаллатом. Звучит крайне сложно, но чертовски интересно. Поехали.
Основа исследования
Не все типы вычислительной техники работают по одному и тому же принципу. Как следствие, каждый тип лучше подходит для выполнения определенных задач. Компьютеры, имитирующие работу человеческого мозга, вызывают интерес исследователей поскольку способны эффективно выполнять маломощные вычисления, с которыми сложнее справиться классическим системам.
Науками, стоящими в основе многих вариаций ИИ (искусственного интеллекта), являются информатика и инженерия. Однако в основе данного исследования лежит нейронаука, объединяющая в себе несколько направлений изучения нервных связей, нейронных процессов и работы мозга.
Для того, чтобы реализовать концепт «искусственный мозг», необходимо научится создавать искусственные импульсные нейроны, которые имитировали бы возникновение нервных импульсов (далее пиков), а также создание сложных и плотных сетей из этих пиков.
Кодирование нейронной информации с использованием пиков крайне важный элемент для выполнения операций передачи на нейронных мембранах (активные линии передачи) внутри шумных и ненадежных сред.
Полноценно понять практическое применение технологии, которая еще до конца не изучена, пока сложно, как говорят исследователи. Однако уже сейчас видны отличные результаты по применению больших импульсных нейронных сетей для выполнения слепого разделения сигнала*, резервуарных вычислений* и т.д.
Слепое разделение сигнала* — отделение набора исходных сигналов от смешанных без использования информации об источнике.
Резервуарные вычисления* — архитектура импульсной нейронной сети, которая состоит из рекуррентного резервуара и выходных нейронов.
На данный момент нейроморфные системы сильно уступают способностям человеческого мозга, поскольку состоят в основном из устройств на базе КМОП*.КМОП* — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник.В свою очередь, ученые решили изменить эту устоявшуюся традицию, продемонстрировав молекулярное нейроморфное сетевое устройство, состоящее из сети однослойных углеродных нанотрубок в объединении с полиоксометаллатом*, который в данном случае является заменой классическому кремнию.
Однослойная (SWNT) и многослойная углеродные нанотрубки (MWNT)
Полиоксометаллат* (POM) — многоатомный ион, обычно анион, который состоит из трех или более оксианионов переходных металлов, соединенных вместе общими атомами кислорода с образованием замкнутых трехмерных каркасов.
Для создания аналоговой нейроморфной «машины» необходимо два крайне важных типа устройств: синаптические устройства и нейронные мембраны.
Синаптическое устройство расположено на пересечении аксонных* и дендритных* проводов нейронных устройств и действует как мембранный переход, сила сцепления которого сохраняется.
Аксон* — отросток нервной клетки организма, по которому передается импульс от клетки к органам и другим клеткам.
Дендрит* — разветвлённый отросток нервной клетки, получающий информацию от аксонов других нервных клеток.
Строение нейрона (нервной клетки)
Данное синоптическое устройство состоит из сети углеродных нанотрубок, упомянутых ранее.
Нейронно-мембранное устройство, являющееся искусственным эквивалентом нейрона, продуцирует импульсы (пики) и передает их через аксонные и дендритные связи другим устройствам того же характера.
Использование однослойных нанотрубок обусловлено тем, что металлические проводники на основе углеродных нанотрубок генерируют большой электрический шум с богатой динамикой. В дополнение к этому однослойные нанотрубки обладают различной проводимостью, зависящей от адсорбции* молекул.
Адсорбция* — самопроизвольный процесс увеличения концентрации растворенного вещества у поверхности раздела двух фаз.
Основой всего экспериментального устройства стало вещество из категории полиоксометаллатов — фосфатдодекомолибденовая кислота (H3PMo12O40; далее просто PMo12), которая демонстрирует обратимые многоэлектронные окислительно-восстановительные свойства*, электронную универсальность и отрицательное дифференциальное сопротивление* на высокоориентированном пиролитическом графите*.
Окислительно-восстановительные свойства* — передача электронов от одного атома другому. Отдающий атом окисляется, а принимающий восстанавливается.
Отрицательное дифференциальное сопротивление* (NDR) — тип сопротивления, если при прохождении тока через электрическую цепь он увеличивается, а напряжение уменьшается.
Высокоориентированный пиролитический графит* — в данном исследовании является подложкой. Обладает хорошей проводимостью и отражением.
Собрав до кучи все вышеперечисленное, мы получаем устройство на базе однослойных углеродных нанотрубок и полиоксометаллата, состоящее из плотной и сложной сети молекул PMo12, имитирующей импульсную нейронную сеть.
Для наглядности результатов экспериментов и их сопоставления с предварительными расчетами, исследователи предлагают рассматривать абстрактную двумерную модель молекулярных соединений.
Результаты экспериментов
Изображение №1
На изображении 1а мы видим снимок атомно-силового микроскопа (AFM), на котором видна структура одностенной нанотрубки в сочетании с полиоксометаллатом на подложке из кремния. Диаметр элементов структуры не превышает несколько нанометров, а общая толщина структуры составляет 10 нм.
График 1b демонстрирует измеренные характеристики тока и напряжения. Поскольку напряжение развертки контроллере атомно-силового микроскопа было фиксированным и крайне скоротечным, измерения проводились исключительно как предварительная проверка.
Мы можем наблюдать несколько пиков на графике, говорящих о том, что ток увеличивался не плавно, поскольку напряжение смещения увеличилось за счет характеристик отрицательного дифференциального сопротивления исследуемого устройства.
Изображение №2
Изображение 2а это предполагаемая сетевая структура. Желтые кубоиды — концевые электроды, черные трубки — SWNT, а фиолетовые точки — частицы POM.
2b это микрофотография изготовленного сетевого устройства SWNT/POM, которое имеет несколько концевых электродов (1-6 на изображении) с разным расстоянием между электродами.
В исследовании участвовало два образца:
А — обработанный этанолом; B — обработанный дистиллированной водой.
Графики на изображении 2с это изменения тока в образце А при ступенчатом увеличении напряжения смещения от 0 В до 125 В.
Изображение №3
График 3а демонстрирует вольт-амперную характеристику* образца А в промежутке между электродами 1 и 2. Тут мы видим пик NDR (красная стрелка) в промежутке 125 и 150 В напряжения смещения. Эти данные собирались в воздушной среде при комнатной температуре со средним значением циклов линии электропитания 100 и 60-герцовой линией электропередач.
Вольт-амперная характеристика* — зависимость тока электрической цепи от ее напряжения.
Когда же напряжение смещения было увеличено до 150 В, ток стал нестабильным. При этом возникли негауссовские распределения, приводящие к генерации периодического / апериодического тока. Если же напряжение установить значительно выше 150 В, то вся система становится нестабильна. На графике 3b это наглядно видно за счет возникших электрических импульсов. Их периодичность видна на дополнительном графике (выделен красной рамкой).
Вольт-амперная характеристика образца В в промежутке между электродами 1 и 2 показана на графике 3с. Если напряжение смещения равно более 80 В, то наблюдается возникновение гистерезиса, демонстрирующий характеристики NDR и нестабильность тока. Если же напряжение было ниже 80 В, то роковая нестабильность не наблюдалась из-за ускоренного переноса ионов в образце, который обработали дистиллированной водой (образец В). Подобного эффекта не было в образце А, так как он обрабатывался этанолом.
График 3d демонстрирует ток при напряжении смещения = 80 В. Тут видны признаки периодических / апериодических колебаний тока (примерно 25 Гц) и случайные электрические импульсы.
Далее нам демонстрируют графики Пуанкаре, на которых мы можем увидеть разность примененного напряжения смещения (3е) и соотношение концентрации частиц полиоксометаллата к нанотрубкам (3f).
На вставке в графике 3е в качестве примера показана короткая последовательность импульсов, где tn — n-нный межпиковый интервал. Этот показатель и послужил основой создания графика Пуанкаре. Каждая точка соответствует своему межпиковому интервалу (tn, tn+1), что позволяет впоследствии визуально отличить хаос от случайности.
Давайте еще раз взглянем на график 3е. Все точки, являющиеся межвидовыми интервалами при разном напряжении смещения, не проявляют свойств самоподобных объектов*. Это говорит о том, что последовательность генерируемых импульсов была абсолютно случайна.
Самоподобие* — когда часть объекта частично или полностью идентична самому объекту:
Стоит отметить, что случайность и хаос это абсолютно разные вещи. На самом деле, слово «хаос» в математике или физике не несет в себе тот же смысл, что мы привыкли понимать на бытовом уровне. К примеру, в математике хаос это когда система детерминирована, то есть результаты этой системы строго-настрого зависят от воздействующих на нее факторов. Получается, что хаос это не беспорядок, а определенный тип упорядоченности системы, это если сильно утрировать.
Фосфатдодекомолибденовая кислота (H3PMo12O40)
Химический анализ вещества с труднопроизносимым названием показал, что PMo12 может «хранить» до 24 электронов, что конечно приводит к определенным изменениям структуры молекулы.
Стоит отметить, что проводимость одного молекулярного соединения изменяется в зависимости от электронного и структурного состояния, а это приводит к возникновению электрических шумов в области соединения.
Эту проблему исследователи решили путем продемонстрированным другими учеными. Если применить метод переключения проводимости путем окисления и редукции* на молекулах, то соотношение слабой к сильной проводимости электрического тока будет превышать 1000 даже при напряжении смещения меньше чем 1 В.
Редукция* — восстановление из оксида (антипод окисления).
Это наблюдение было использовано и в создании модели, о которой и идет речь в данном исследовании. Проводимость между молекулами полиоксометаллата и нанотрубками изменяется от слабой к сильной, когда число электронов в молекулах PMo12 превышает их максимальное число.
Как следствие, чтобы молекула могла удерживать несколько электронов, проводимость межмолекулярного соединения должна быть низкой. Ибо, если в ней будет слишком много зарядов, возникнет внушительная разница потенциалов по всему соединению, что приведет к переходу от низкой к высокой проводимости.
Когда электроны, поглощенные молекулой, разряжаются через высокопроводящее соединение, они переходят в соседнюю молекулу с наибольшим потенциалом. Если же и эта молекула «забита под завязку» электронами, то возникает цепная реакция по всей сети системы. Подобные цепные реакции происходят и в организме человека. Дотроньтесь пальцем до холодной поверхности, тактильные рецепторы получат информацию о холоде и через нейронную сеть передадут ее в ваш мозг. Проще говоря, эта информация пройдет путь от кончика вашего пальца до вашего «персонального компьютера» у вас в голове, и все это со скоростью до 120 м/с.
Эпилог
Данное исследование продемонстрировало, что использование специфических веществ в сопряжении с наноструктурами могут при определенных обстоятельствах демонстрировать имитацию работы нервной системы живого организма. Выверенный подбор подобных составляющих, основанный на их химических, электропроводящих, молекулярных свойствах, позволит создать систему, способную передавать электроны от одного элемента к другому за счет перенасыщения молекул H3PMo12O40. «Мостами» между которыми служат однослойные углеродные нанотрубки.
Не будем строить облачных замков и скажем прямо, что вышеописанная система крайне нестабильна и пока не доведена до ума. Однако это большой шаг к созданию нового (хоть и описанного во многих предыдущих исследованиях и даже в научно-фантастической литературе) типа вычислительной техники. Подобные машины не смогут заменить классические компьютеры, по крайней мере не скоро, но будут использоваться для работы над определенными специфическими задачами. А может быть нейроморфный компьютер станет эталоном вычислительной техники и по праву будет носить титул «искусственный интеллект». Время покажет. А мы пока и дальше будем следить за подобными исследованиями, каждый раз удивляясь все более и более нестандартными методами реализации подобной концепции.
