ابداع نورون جدید آزمایشگاهی که تنها با ۰.۱ ولت برق کار می‌کند
یک نورون جدید آزمایشگاهی، سلول‌های مغز واقعی را از نظر انرژی منعکس می‌کند و تنها با ۰.۱ ولت کار می‌کند.
محققان دانشگاه ماساچوست امهرست(Amherst)، نورون‌های مصنوعی را توسعه می‌دهند که توسط نانوسیم‌های پروتئینی تغذیه می‌شوند و با ولتاژ خود بدن کار می‌کنند.
به نقل از آی‌ایف یک نورون ساخته شده در آزمایشگاه اکنون تقریباً مانند یک نورون واقعی در بدن انسان کار می‌کند.
گروهی از مهندسان دانشگاه «ماساچوست امهرست» از ایجاد یک نورون مصنوعی با عملکردهای الکتریکی کارآمد خبر داده‌اند.
این کار بر اساس تحقیقات قبلی آنها با استفاده از نانوسیم‌های پروتئینی سنتز شده از باکتری‌های تولیدکننده برق انجام می‌شود.
این کشف می‌تواند راه را برای رایانه‌های فوق کارآمد که بر اساس اصول بیولوژیکی مدل‌سازی شده‌اند، هموار کند؛ سیستم‌هایی که ممکن است روزی مستقیماً به سلول‌های زنده متصل شوند.
شوای فو(Shuai Fu)، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه «ماساچوست امهرست» و نویسنده اصلی این مطالعه می‌گوید: مغز ما حجم عظیمی از داده‌ها را پردازش می‌کند، اما مصرف برق آن بسیار بسیار کم است، به خصوص در مقایسه با میزان برقی که برای اجرای یک مدل زبان بزرگ مانند ChatGPT لازم است.
مغز انسان با حدود ۲۰ وات برق کار می‌کند، در حالی که یک مدل هوش مصنوعی بزرگ می‌تواند برای انجام یک کار مشابه، بیش از یک مگاوات برق مصرف کند. این شکاف عظیم در کارایی، چیزی است که محققان امیدوارند با طراحی جدید خود آن را پر کنند.
نورون‌هایی در ولتاژ بدن
مغز از میلیاردها نورون که سلول‌های تخصصی هستند که تکانه‌ها را با بازدهی بسیار بالا شلیک و منتقل می‌کنند، تشکیل شده است. تکرار این فرآیند به صورت الکترونیکی، همواره دشوار بوده است.
جون یائو(Jun Yao)، دانشیار مهندسی برق و کامپیوتر در «ماساچوست آمهرست» و نویسنده ارشد این مقاله می‌گوید: نسخه‌های قبلی نورون‌های مصنوعی، ۱۰ برابر ولتاژ و ۱۰۰ برابر قدرت بیشتری نسبت به نسخه‌ای که ما ایجاد کرده‌ایم، استفاده می‌کردند. این امر آنها را ناکارآمد و ناتوان از ارتباط مستقیم با نورون‌های زنده می‌کرد.
اکنون پیشرفت این تیم، این وضعیت را تغییر می‌دهد. یائو می‌گوید: نورون‌های ما فقط ۰.۱ ولت مصرف می‌کنند که تقریباً مشابه با نورون‌های بدن ماست.
نورون‌های مصنوعی با این طراحی ولتاژ پایین می‌توانند نه تنها در سیستم‌های محاسباتی، بلکه در دستگاه‌های پزشکی که قادر به برقراری ارتباط یکپارچه با سلول‌های بیولوژیکی هستند نیز ادغام شوند.
از زیست‌نوارها گرفته تا رایانه‌ها
محققان طیف گسترده‌ای از کاربردهای بالقوه را می‌بینند، از رایانه‌های الهام گرفته از بیولوژی گرفته تا الکترونیک‌هایی که مستقیماً با بدن انسان ارتباط برقرار می‌کنند.
یائو می‌گوید: ما در حال حاضر انواع سیستم‌های حسگر الکترونیکی پوشیدنی را داریم، اما آنها نسبتاً سنگین و ناکارآمد هستند. هر بار که سیگنالی را از بدن ما حس می‌کنند، باید آن را به صورت الکتریکی تقویت کنند تا یک کامپیوتر بتواند آن را تجزیه و تحلیل کند. این مرحله میانی برای تقویت، هم مصرف برق و هم پیچیدگی مدار را افزایش می‌دهد، اما حسگرهای ساخته شده با نورون‌های ولتاژ پایین ما می‌توانند بدون هیچ تقویتی کار کنند.
این پیشرفت به نانوسیم‌های پروتئینی مشتق شده از «Geobacter sulfurreducens» (یک نوع باکتری که به طور طبیعی برق تولید می‌کند) متکی است.
یائو و همکارانش در سال‌های اخیر از این نانوسیم‌ها برای ساخت فناوری‌های غیرمعمول استفاده کرده‌اند، مثلا یک زیست‌نوار با نیروی عرق که قطعات الکترونیکی کوچک را به کار می‌اندازد یا یک «بینی الکترونیکی» که بیماری را تشخیص می‌دهد و حتی دستگاهی که از هوای رقیق، برق برداشت می‌کند.
اکنون این نورون مصنوعی جدید به این فهرست اضافه می‌شود و تحقیقات آنها را بیشتر به سمت تقاطع زیست‌شناسی و رایانش سوق می‌دهد.
این کار توسط دفتر تحقیقات ارتش، بنیاد ملی علوم ایالات متحده، مؤسسات ملی بهداشت و بنیاد آلفرد پی. اسلون پشتیبانی شده است.
یافته‌های این مطالعه در Nature Communications منتشر شده است.