وصفة دماغية اصطناعية: أنابيب نانوية ، وبوكسي ميتاليت وقليل من الإلكترونات

العالم قريب ، دماغ الإنسان واسع
(فريدريش شيلر).

فكرة قصيرة للغاية ، ولكنها دقيقة بشكل لا يصدق. دماغ الإنسان حتى يومنا هذا لا يزال لغزا للعلماء. نعم ، لقد عرفنا منذ فترة طويلة ماذا وكيف يعمل ، أي قسم مسؤول عن الإجراءات. ومع ذلك ، هذه ليست سوى أساسيات علم الأعصاب. إن القول بأن الدماغ نفهمه على أنه ضعف اثنين أمر خاطئ إلى حد كبير. وكيف ، من دون فهم عقلك ، لمحاولة إنشاء دماغ اصطناعي؟ هل هذا غباء أم طموح؟ ولا يتعلق الأمر بقطع من الحديد يتم جمعها إلى الكومة ، والتي توجه النبضات الكهربائية إلى المكان الصحيح ، وبالتالي محاكاة الدماغ البشري. يتعلق الأمر بدماغ اصطناعي كامل. إن محاولات إنشاء شيء مثل هذا ليست نادرة في عالم العلوم. في عالم العلوم ، من الصعب عمومًا العثور على ما لم يفعله أي شخص آخر. سنلتقي اليوم معكم بدراسات تهدف إلى تنفيذ جهاز شبكة جزيئية عصبية جزيئية ، تتكون من أنابيب نانوية كربونية أحادية الجدار بالاشتراك مع polyoxometallate. يبدو الأمر صعبًا للغاية ، ولكنه مثير للاهتمام. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

لا تعمل جميع أنواع تكنولوجيا الكمبيوتر على نفس المبدأ. ونتيجة لذلك ، يكون كل نوع أكثر ملاءمة لمهام معينة. أجهزة الكمبيوتر التي تحاكي عمل الدماغ البشري تهم الباحثين لأنها قادرة على أداء الحوسبة منخفضة الطاقة بكفاءة ، وهو أمر أكثر صعوبة في التعامل مع الأنظمة الكلاسيكية.

العلوم التي تكمن وراء العديد من الاختلافات في الذكاء الاصطناعي هي علوم وهندسة الكمبيوتر. ومع ذلك ، تعتمد هذه الدراسة على علم الأعصاب ، وتجمع بين العديد من مجالات دراسة الاتصالات العصبية والعمليات العصبية ووظائف الدماغ.

من أجل تنفيذ مفهوم "الدماغ الاصطناعي" ، من الضروري معرفة كيفية إنشاء الخلايا العصبية الاندفاعية الاصطناعية التي تحاكي ظهور النبضات العصبية (المشار إليها فيما يلي بالقمم) ، بالإضافة إلى إنشاء شبكات معقدة وكثيفة من هذه القمم.

يعد ترميز المعلومات العصبية باستخدام القمم عنصرًا مهمًا للغاية لإجراء عمليات الإرسال على الأغشية العصبية (خطوط النقل النشطة) داخل وسائط صاخبة وغير موثوقة.

إن فهم التطبيق العملي للتكنولوجيا بشكل كامل ، والذي لم يتم دراسته بشكل كامل بعد ، لا يزال صعبًا ، كما يقول الباحثون. ومع ذلك ، تظهر نتائج ممتازة بالفعل عند استخدام الشبكات العصبية النبضية الكبيرة لإجراء فصل إشارة عمياء * وحوسبة المكامن * ، وما إلى ذلك.

فصل إشارة عمياء * - فصل مجموعة من إشارات المصدر عن إشارات مختلطة دون استخدام معلومات حول المصدر.

حوسبة المكمن * هي بنية شبكة عصبية نابضة ، تتكون من خزان متكرر وخلايا عصبية ناتجة.

في الوقت الحالي ، تكون أنظمة الأشكال العصبية أقل بكثير من قدرات الدماغ البشري ، لأنها تتكون بشكل أساسي من أجهزة تعتمد على CMOS * . CMOS * - هيكل أشباه الموصلات من أكسيد المعدن المكمّل. في المقابل ، قرر العلماء تغيير هذا التقليد الراسخ عن طريق إظهار جهاز شبكة جزيئية عصبية جزيئية تتكون من شبكة من الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار جنبًا إلى جنب مع polyoxometallate * ، وهو في هذه الحالة بديل عن السيليكون الكلاسيكي.


الطبقة الواحدة (SWNT) والأنابيب النانوية الكربونية متعددة الطبقات (MWNT)

Polyoxometallate * (POM) هو أيون متعدد الذرات ، وعادة ما يكون أنيون يتكون من ثلاثة أو أكثر من الأوكسيجين المعدني الانتقالي المتحد معًا بواسطة ذرات الأكسجين الشائعة لتكوين أطر مغلقة ثلاثية الأبعاد.

لإنشاء "آلة" تماثلية الشكل العصبي ، هناك حاجة إلى نوعين من الأجهزة بالغة الأهمية: الأجهزة المشبكية والأغشية العصبية.

يقع الجهاز المشبكي عند تقاطع الأسلاك المحورية * والتشجيرية للأجهزة العصبية ويعمل بمثابة انتقال غشائي ، يتم الحفاظ على قوة التصاقه.

Axon * هي عملية من الخلايا العصبية في الجسم يتم من خلالها نقل دفعة من الخلية إلى الأعضاء والخلايا الأخرى.

Dendrite * هي عملية متفرعة من خلية عصبية تتلقى معلومات من محاور الخلايا العصبية الأخرى.

هيكل العصبون (الخلية العصبية)

يتكون هذا الجهاز السينوبتيكي من شبكة من الأنابيب النانوية الكربونية ، المذكورة سابقًا.

جهاز الغشاء العصبي ، وهو المكافئ الاصطناعي للخلايا العصبية ، ينتج نبضات (قمم) وينقلها من خلال وصلات محوارية وتغصنية إلى أجهزة أخرى من نفس الطبيعة.

يرجع استخدام الأنابيب النانوية أحادية الجدار إلى حقيقة أن الموصلات المعدنية القائمة على الأنابيب النانوية الكربونية تولد ضوضاء كهربائية كبيرة مع ديناميات غنية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الأنابيب النانوية أحادية الجدار لها موصلات مختلفة ، اعتمادًا على امتزاز الجزيئات * .

الامتزاز * عملية تلقائية لزيادة تركيز المذاب في الواجهة بين مرحلتين.

كان أساس الجهاز التجريبي بأكمله مادة من فئة polyoxometallates - حمض الفوسفات dodecomolybdenum ( H ₃ PMo ₁₂ O ₄₀ ؛ فيما يلي ببساطة PMo ₁₂ ) ، والذي يوضح خصائص الأكسدة والاختزال متعددة الإلكترونات القابلة للعكس * ، والعالمية الإلكترونية والمقاومة التفاضلية السلبية * على الجرافيت الحراري المنحرف للغاية * .

خصائص الأكسدة * - نقل الإلكترونات من ذرة إلى أخرى. تتأكسد ذرة العطاء ، ويتم تقليل ذرة الاستقبال.

المقاومة التفاضلية السلبية * (NDR) هي نوع من المقاومة إذا زاد التيار وانخفض الجهد مع تدفق التيار خلال الدائرة.

الجرافيت الحراري المنحرف للغاية * - في هذه الدراسة هي الركيزة. لديها الموصلية والتفكير الجيد.

بعد جمع كل ما سبق إلى كومة ، نحصل على جهاز يعتمد على الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار والبولي أكسي ميتالات ، ويتكون من شبكة كثيفة ومعقدة من جزيئات PMo ₁₂ التي تحاكي شبكة عصبية نابضة.

من أجل الوضوح ، ونتائج التجارب ومقارنتها بالحسابات الأولية ، يقترح الباحثون النظر في نموذج تجريدي ثنائي الأبعاد للمركبات الجزيئية.

نتائج التجربة

الصورة رقم 1

في الصورة 1 أ ، نرى صورة لمجهر القوة الذرية (AFM) ، والذي يوضح بنية أنبوب نانوي أحادي الجدار بالاشتراك مع بولي أكسي ميتالات على ركيزة السيليكون. لا يتجاوز قطر العناصر الهيكلية عدة نانومتر ، ويبلغ سمك الهيكل الإجمالي 10 نانومتر.

يوضح الرسم البياني 1 ب خصائص التيار والجهد المقاسة. بما أن جهد الاجتياح لجهاز التحكم في مجهر القوة الذرية كان ثابتًا وعابرًا للغاية ، فقد تم إجراء القياسات حصريًا كاختبار أولي.

يمكننا ملاحظة العديد من القمم في الرسم البياني ، مما يشير إلى أن التيار لم يزد بسلاسة ، حيث زاد جهد التحيز بسبب خصائص المقاومة التفاضلية السلبية للجهاز قيد الدراسة.


الصورة رقم 2

الصورة 2 أ هي بنية الشبكة المقصودة. المكعبات الصفراء هي أقطاب نهائية ، والأنابيب السوداء هي SWNT ، والنقاط الأرجوانية هي جسيمات POM.

2b عبارة عن صورة ضوئية لجهاز شبكة SWNT / POM مُصنَّع ولديه عدة أقطاب نهائية (1-6 في الصورة) مع تباعد مختلف بين الأقطاب.

اشتملت الدراسة على عينتين:

أ - المعالجة بالإيثانول ؛
ب - المعالجة بالماء المقطر.

الرسوم البيانية في الصورة 2 ج هي التغييرات الحالية في العينة أ مع زيادة تدريجية في جهد التحيز من 0 فولت إلى 125 فولت.


الصورة رقم 3

يوضح الرسم البياني 3 أ خاصية الجهد الحالي * للعينة أ في الفجوة بين الأقطاب الكهربائية 1 و 2. هنا نرى ذروة NDR (السهم الأحمر) بين 125 و 150 فولت من جهد التحيز. تم جمع هذه البيانات في الهواء في درجة حرارة الغرفة بمتوسط ​​دورة خط كهرباء 100 وخط كهرباء 60 هرتز.

خاصية فولت أمبير * - اعتماد تيار الدائرة الكهربائية على جهدها.

عندما تم زيادة جهد التحيز إلى 150 فولت ، أصبح التيار غير مستقر. في هذه الحالة ، نشأت توزيعات غير غوسية ، مما أدى إلى توليد تيار دوري / غير دوري. إذا تم تعيين الجهد أعلى بكثير من 150 فولت ، يصبح النظام بأكمله غير مستقر. في الرسم البياني 3 ب ، يظهر هذا بوضوح بسبب النبضات الكهربائية التي نشأت. ترددهم مرئي على مخطط إضافي (مظلل باللون الأحمر).

يوضح الرسم البياني 3 ج خاصية التيار - التيار للعينة ب في الفجوة بين الأقطاب 1 و 2. إذا كان جهد التحيز أكثر من 80 فولت ، يحدث التباطؤ ، مما يوضح خصائص NDR وعدم الاستقرار الحالي. إذا كان الجهد أقل من 80 فولت ، لم يلاحظ عدم استقرار قاتل بسبب النقل المتسارع للأيونات في العينة ، والذي تم معالجته بالماء المقطر (العينة ب ). لم يكن هناك مثل هذا التأثير في العينة أ ، حيث تم معالجته بالإيثانول.

يوضح الرسم البياني ثلاثي الأبعاد التيار عند جهد انحياز = 80 فولت. هنا يمكنك رؤية علامات التقلبات الدورية / غير الدورية للتيار (حوالي 25 هرتز) والنبضات الكهربائية العشوائية.

بعد ذلك ، يتم عرض الرسوم البيانية Poincaré ، حيث يمكننا أن نرى الفرق في جهد التحيز المطبق ( 3e ) ونسبة تركيز جزيئات polyoxometallate إلى الأنابيب النانوية ( 3f ).

يوضح الشكل الداخلي في الرسم البياني 3e ، كمثال ، سلسلة قصيرة من النبضات ، حيث t _n هي فترة الذروة nth. عمل هذا المؤشر كأساس لإنشاء الرسم البياني Poincare. تقابل كل نقطة الفاصل بين الذروة (t _n ، t _n +1) ، والذي يميز بعد ذلك بصريًا الفوضى عن العشوائية.

دعونا نلقي نظرة على الرسم البياني 3e مرة أخرى. لا تُظهر جميع النقاط ذات الفترات الفاصلة بين الأنواع عند جهد انحراف مختلف خصائص الأشياء المتشابهة ذاتيًا * . هذا يشير إلى أن تسلسل النبضات المتولدة كان عشوائيًا تمامًا.

التشابه الذاتي * - عندما يكون جزء من كائن متطابقًا جزئيًا أو كليًا مع الكائن نفسه:

من الجدير بالذكر أن العشوائية والفوضى هما أمران مختلفان تمامًا. في الواقع ، لا تحمل كلمة "فوضى" في الرياضيات أو الفيزياء نفس المعنى الذي اعتدنا على فهمه على المستوى اليومي. على سبيل المثال ، في الرياضيات ، الفوضى هي عندما يتم تحديد النظام ، أي أن نتائج هذا النظام تعتمد بشكل صارم على العوامل التي تؤثر عليه. اتضح أن الفوضى ليست فوضى ، ولكنها نوع معين من ترتيب النظام ، إذا كان هذا مبالغًا فيه إلى حد كبير.

حمض الفوسفات دوديكوموليبدينوم (H ₃ PMo ₁₂ O ₄₀ )

أظهر التحليل الكيميائي للمادة التي تحمل اسمًا لا يمكن ملاحظته أن PMo ₁₂ يمكنه "تخزين" ما يصل إلى 24 إلكترونًا ، مما يؤدي بالطبع إلى تغييرات معينة في بنية الجزيء.

وتجدر الإشارة إلى أن موصلية مركب جزيئي واحد يختلف باختلاف الحالة الإلكترونية والهيكلية ، وهذا يؤدي إلى ظهور ضوضاء كهربائية في منطقة التوصيل.

قام الباحثون بحل هذه المشكلة من خلال إثباتها من قبل علماء آخرين. إذا قمنا بتطبيق طريقة تبديل الموصلية عن طريق الأكسدة والاختزال * على الجزيئات ، فإن نسبة الموصلية الضعيفة إلى القوية للتيار الكهربائي ستتجاوز 1000 حتى عند جهد تحيز أقل من 1 فولت.

التخفيض * - الاختزال من الأكسيد (مضاد الأكسدة).

كما تم استخدام هذه الملاحظة في إنشاء النموذج ، الذي تمت مناقشته في هذه الدراسة. تتغير الموصلية بين جزيئات polyoxometallate والأنابيب النانوية من ضعيف إلى قوي عندما يتجاوز عدد الإلكترونات في جزيئات PMo ₁₂ الحد الأقصى لعددها.

ونتيجة لذلك ، لكي يتمكن الجزيء من الاحتفاظ بعدة إلكترونات ، يجب أن تكون موصلية المركب الجزيئي منخفضة. لأنه إذا كان هناك الكثير من الشحنات ، فسيكون هناك فرق محتمل مثير للإعجاب عبر المركب بأكمله ، مما سيؤدي إلى الانتقال من منخفض إلى عالي التوصيل.

عندما يتم تفريغ الإلكترونات التي يمتصها الجزيء من خلال مركب موصل للغاية ، فإنها تنتقل إلى الجزيء المجاور ذي الإمكانات الأكبر. إذا كان هذا الجزيء "معبأًا في مقل العيون" بالإلكترونات ، فإن تفاعل سلسلة يحدث في جميع أنحاء شبكة النظام. تحدث تفاعلات متسلسلة مماثلة في جسم الإنسان. المس إصبعك على سطح بارد ، وستتلقى المستقبلات اللمسية معلومات حول البرد وتحوله إلى دماغك عبر الشبكة العصبية. ببساطة ، ستنتقل هذه المعلومات من طرف إصبعك إلى "جهاز الكمبيوتر الشخصي" في رأسك ، وكل هذا بسرعة تصل إلى 120 م / ث.

الخاتمة

أثبتت هذه الدراسة أن استخدام مواد معينة بالاقتران مع الهياكل النانوية يمكن ، في ظل ظروف معينة ، أن يحاكي عمل الجهاز العصبي للكائن الحي. إن الاختيار المؤكد لهذه المكونات ، استنادًا إلى خصائصها الجزيئية الكيميائية والموصلة كهربائيًا ، سيسمح لنا بإنشاء نظام يمكنه نقل الإلكترونات من عنصر إلى آخر بسبب التشبع الفائق لجزيئات H ₃ PMo ₁₂ O ₄₀ . "الجسور" التي يوجد بينها أنابيب نانوية كربونية أحادية الجدار.

لن نبني أقفال سحابة وسنقول مباشرة أن النظام أعلاه غير مستقر للغاية ولم يتم وضعه في الاعتبار بعد. ومع ذلك ، فهذه خطوة كبيرة نحو إنشاء نوع جديد (على الرغم من وصفه في العديد من الدراسات السابقة وحتى في أدب الخيال العلمي) لتكنولوجيا الكمبيوتر. لن تتمكن هذه الأجهزة من استبدال أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، على الأقل ليس قريبًا ، ولكن سيتم استخدامها للعمل في مهام محددة معينة. أو ربما يصبح جهاز الكمبيوتر الخاص بالتشكيل العصبي هو معيار تكنولوجيا الكمبيوتر وسيحمل بحق عنوان "الذكاء الاصطناعي". سيخبرنا الوقت. في هذه الأثناء ، سنواصل مراقبة مثل هذه الدراسات ، في كل مرة تفاجأ بالطرق غير القياسية أكثر فأكثر لتطبيق مثل هذا المفهوم.

أوصي بشدة بأن تتعرف على تقرير العلماء ، الذي يصف بالتفصيل طرق القياس ، بالإضافة إلى الأوتوماتيكية الخلوية لنموذج الشبكة العصبية قيد الدراسة.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).

ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟