ساخت سیناپس مصنوعی که با آب و نمک کار می‌کند

دانشمندان در دانشگاه اوترخت و دانشگاه سوگانگ در کره جنوبی، با تقلید از عملکرد مغز انسان موفق به ساخت یک سیناپس مصنوعی شده‌اند که با آب و نمک کار می‌کند.

به گزارش تک‌ناک،این سیناپس مصنوعی می‌تواند اطلاعات پیچیده‌ای را پردازش کند و به این ترتیب، عملکرد مغز انسان را با استفاده از مواد مشابه (آب و نمک) تقلید می‌کند. این تکنولوژی جدید که به عنوان ممریستور یونترونیک شناخته می‌شود، می‌تواند به پیشرفت‌های بزرگ در حوزه کامپیوترهای نورومورفیک منجر شود و کارایی انرژی را در مقایسه با فناوری‌های موجود بهبود بخشد.

دانشمندان در تلاش برای بهبود بهره وری انرژی رایانه های معمولی، مدت هاست که برای الهام گرفتن به مغز انسان روی آورده اند. آنها هدفشان تقلید از ظرفیت فوق العاده آن به روش های مختلف است. این تلاش ها منجر به توسعه رایانه های شبیه مغز شده است که از پردازش باینری سنتی فاصله گرفته و به سمت روش های آنالوگ شبیه به مغز ما حرکت می کنند. با این حال، در حالی که مغز ما با استفاده از آب و ذرات نمک حل شده به نام یون به عنوان محیط خود عمل می کند، اکثر رایانه های الهام گرفته شده از مغز فعلی به مواد جامد معمولی متکی هستند.

سیناپس مصنوعی

در آخرین مطالعه منتشر شده در PNAS، دانشمندان برای اولین بار سیستمی مبتنی بر آب و نمک را نشان دادند که توانایی پردازش اطلاعات پیچیده را نشان می دهد و عملکرد مغز ما را منعکس می کند. هسته اصلی این کشف دستگاهی ریز به ابعاد ۱۵۰ در ۲۰۰ میکرومتر است که رفتار سیناپس را تقلید می کند جزء ضروری در مغز که مسئول انتقال سیگنال بین نورون ها است.

تیم کامسما، دانشجوی دکترای موسسه فیزیک نظری و موسسه ریاضی دانشگاه اوترخت و نویسنده اصلی این مطالعه، هیجان خود را ابراز می کند و می گوید: «در حالی که سیناپس های مصنوعی قادر به پردازش اطلاعات پیچیده از قبل بر اساس مواد جامد وجود دارند، اما ما اکنون برای اولین بار نشان می دهیم که این کار با استفاده از آب و نمک نیز قابل انجام است.» او تاکید می کند: «ما در حال تکرار رفتار نورونی با استفاده از سیستمی هستیم که از همان محیط مغز استفاده می کند.»

مهاجرت یونی

دستگاهی که توسط دانشمندان در کره جنوبی توسعه یافته و به عنوان یک مموریستور یونترونیک شناخته می شود، شامل یک میکروکانال مخروطی شکل است که با محلول آب و نمک پر شده است.

هنگامی که پالس‌های الکتریکی دریافت می‌شوند، یون‌های موجود در مایع درون کانال شروع به حرکت می‌کنند و باعث تغییر در غلظت یون‌ها می‌شوند. بسته به شدت یا مدت زمان پالس، هدایت کانال به طور متناسب تنظیم می‌گردد که این تغییر هدایت به تقویت یا تضعیف اتصالات بین نورون‌ها منجر می‌شود. این تغییر در هدایت به عنوان نشانگر قابل اندازه‌گیری برای سیگنال ورودی عمل می‌کند. علاوه بر این، طول کانال نیز بر مدت زمان لازم برای از بین رفتن تغییرات غلظت تأثیر می‌گذارد، که این موضوع نیز یک جزء مهم در پاسخ دهی سیستم است.

کامسما توضیح می‌دهد: «این قابلیت نشان‌دهنده توانایی کانال‌ها برای تطبیق، به منظور نگه‌داشتن و پردازش اطلاعات برای مدت‌های مختلف است. این پدیده شباهت زیادی به مکانیسم‌های سیناپسی دارد که در مغز ما وجود دارد.»

ریشه این کشف به ایده‌ای برمی‌گردد که کامسما مطرح کرده بود، کسی که مدت زیادی نیست تحقیقات دکترای خود را آغاز کرده است. او این مفهوم را که بر محوریت استفاده از کانال‌های یونی مصنوعی برای کارهای طبقه‌بندی متمرکز بود، به یک مدل نظری قوی تبدیل کرد.

کامسما به یاد می‌آورد: «به طور اتفاقی، مسیرهای ما در آن دوره با گروه تحقیقاتی در کره جنوبی تلاقی کرد». آن‌ها با اشتیاق زیادی نظریه من را پذیرفتند و به سرعت کارهای تجربی را بر اساس آن آغاز کردند. گفتنی‌ است یافته‌های اولیه تنها سه ماه بعد به دست آمد که با پیش‌بینی‌های ذکر شده در چارچوب نظری کامسما مطابقت داشت.

گامی مهم به سوی پیشرفت

کامسما بر ماهیت بنیادی این تحقیق تأکید می‌کند و خاطرنشان می‌سازد که پردازش نورومورفیک یونی، با وجود رشد سریع، هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد. هدف نهایی، ایجاد یک سیستم کامپیوتری است که از نظر کارایی و مصرف انرژی به طور قابل‌توجهی برتر از فناوری‌های امروزی باشد. با این حال، اینکه این چشم‌انداز به واقعیت تبدیل شود یا نه، در حال حاضر حدس و گمان است. با این وجود، کمسما این انتشار را گامی مهم به سوی پیشرفت می‌داند.

او می‌گوید: “این امر نشان‌دهنده پیشرفتی اساسی به سمت کامپیوترهایی است که نه تنها قادر به تقلید از الگوهای ارتباطی مغز انسان هستند، بلکه از همان بستر نیز استفاده می‌کنند.” “شاید این امر در نهایت راه را برای سیستم‌های محاسباتی هموار کند که قابلیت‌های خارق‌العاده مغز انسان را با دقت بیشتری بازتولید می‌کنند.”