El mundo está cerca, el cerebro humano es vasto
(Friedrich Schiller).
Un pensamiento muy corto, pero increíblemente preciso. El cerebro humano hasta el día de hoy sigue siendo un misterio para los científicos. Sí, hace tiempo que sabemos qué y cómo funciona, qué sección es responsable de qué acciones. Sin embargo, esto es solo lo básico de la neurobiología. Decir que entendemos el cerebro como dos veces dos es un gran error. ¿Y cómo, sin entender tu propio cerebro, intentar crear uno artificial? ¿Es esta estupidez o es ambicioso? Y no se trata de piezas de hierro recolectadas en el montón, que dirigen los impulsos eléctricos al lugar correcto, simulando así el cerebro humano. Se trata de un cerebro artificial completo. Los intentos de crear algo como esto no son raros en el mundo de la ciencia. En el mundo de la ciencia, generalmente es difícil encontrar lo que nadie más ha hecho. Hoy nos reuniremos con sus estudios destinados a la implementación de un dispositivo de red neuromórfica molecular, que consiste en nanotubos de carbono de pared simple junto con polioxometallato. Suena extremadamente difícil, pero muy interesante. Vamos
Base de estudio
No todos los tipos de tecnología informática funcionan con el mismo principio. Como resultado, cada tipo se adapta mejor a ciertas tareas. Las computadoras que simulan el trabajo del cerebro humano son de interés para los investigadores porque pueden realizar eficientemente la computación de baja potencia, que es más difícil de manejar con los sistemas clásicos.
Las ciencias que subyacen a muchas variaciones de la IA (inteligencia artificial) son la informática y la ingeniería. Sin embargo, este estudio se basa en la neurociencia, combinando varias áreas de estudio de las conexiones neuronales, los procesos neuronales y la función cerebral.
Para implementar el concepto de "cerebro artificial", es necesario aprender a crear neuronas de impulso artificial que simulen la aparición de impulsos nerviosos (en adelante picos), así como la creación de redes complejas y densas de estos picos.
La codificación de información neuronal mediante picos es un elemento extremadamente importante para realizar operaciones de transmisión en membranas neuronales (líneas de transmisión activas) dentro de medios ruidosos y poco confiables.
Para entender completamente la aplicación práctica de la tecnología, que aún no se ha estudiado completamente, sigue siendo difícil, como dicen los investigadores. Sin embargo, ya se pueden ver excelentes resultados en el uso de grandes redes neuronales pulsadas para realizar
una separación de señal ciega * ,
cálculo de reservorios * , etc.
Separación de señal a ciegas * : separación de un conjunto de señales fuente de las mixtas sin utilizar información sobre la fuente.
La informática del reservorio * es la arquitectura de una red neuronal pulsada, que consiste en un reservorio recurrente y neuronas de salida.
Por el momento, los sistemas neuromórficos son muy inferiores a las capacidades del cerebro humano, ya que consisten principalmente en dispositivos basados en
CMOS * .
CMOS * - estructura complementaria de semiconductores de óxido de metal. A su vez, los científicos decidieron cambiar esta tradición establecida al demostrar un dispositivo de red neuromórfica molecular que consiste en una red de nanotubos de carbono de pared simple combinados con
polioxometallato * , que en este caso es un reemplazo para el silicio clásico.
Nanotubos de carbono de capa única (SWNT) y multicapa (MWNT)El polioxometallato * (POM) es un ion poliatómico, generalmente un anión que consta de tres o más oxianiones de metales de transición unidos por átomos de oxígeno comunes para formar estructuras tridimensionales cerradas.
Para crear una "máquina" neuromórfica analógica, se necesitan dos tipos de dispositivos extremadamente importantes: dispositivos sinápticos y membranas neurales.
El dispositivo sináptico se encuentra en la intersección de los cables
axónicos * y
dendríticos * de los dispositivos neuronales y actúa como una transición de membrana, cuya fuerza de adhesión se mantiene.
Axon * es un proceso de la célula nerviosa del cuerpo a través del cual se transmite un impulso de la célula a los órganos y otras células.
La dendrita * es un proceso ramificado de una célula nerviosa que recibe información de axones de otras células nerviosas.
La estructura de una neurona (célula nerviosa)Este dispositivo sinóptico consiste en una red de nanotubos de carbono, mencionados anteriormente.
Un dispositivo de membrana neural, que es el equivalente artificial de una neurona, produce impulsos (picos) y los transmite a través del axón y las conexiones dendríticas a otros dispositivos de la misma naturaleza.
El uso de nanotubos de pared simple se debe al hecho de que los conductores metálicos basados en nanotubos de carbono generan un gran ruido eléctrico con una dinámica rica. Además, los nanotubos de pared simple tienen conductividades diferentes, dependiendo de la
adsorción * de las moléculas.
La adsorción * es un proceso espontáneo de aumentar la concentración de soluto en la interfaz entre dos fases.
La base de todo el dispositivo experimental era una sustancia de la categoría de polioxometallatos:
ácido dodecomolibdeno fosfato (
H 3 PMo 12 O 40 ; en adelante, simplemente
PMo 12 ), que demuestra
propiedades reversibles de múltiples electrones
redox * , universalidad electrónica y
resistencia diferencial negativa * en
grafito pirolítico altamente orientado * .
Propiedades redox * : transferencia de electrones de un átomo a otro. El átomo que da se oxida y el átomo receptor se reduce.
La resistencia diferencial negativa * (NDR) es un tipo de resistencia si, a medida que la corriente fluye a través del circuito, aumenta y el voltaje disminuye.
Grafito pirolítico altamente orientado * : en este estudio se encuentra el sustrato. Tiene buena conductividad y reflexión.
Después de haber reunido todo lo anterior en un montón, obtenemos un dispositivo basado en nanotubos de carbono de pared simple y polioxometallato, que consiste en una red densa y compleja de moléculas de PMo
12 que simula una red neuronal pulsada.
Para mayor claridad, los resultados de los experimentos y su comparación con los cálculos preliminares, los investigadores proponen considerar un modelo abstracto bidimensional de compuestos moleculares.
Resultados del experimento
Imagen No. 1En la imagen
1a, vemos una fotografía de un microscopio de fuerza atómica (AFM), que muestra la estructura de un nanotubo de pared simple en combinación con un polioxometalato en un sustrato de silicio. El diámetro de los elementos estructurales no excede varios nanómetros, y el espesor total de la estructura es de 10 nm.
El gráfico
1b muestra las características de corriente y voltaje medidas. Como el voltaje de barrido del controlador del microscopio de fuerza atómica era fijo y extremadamente transitorio, las mediciones se llevaron a cabo exclusivamente como una verificación preliminar.
Podemos observar varios picos en el gráfico, lo que indica que la corriente no aumentó suavemente, ya que el voltaje de polarización aumentó debido a las características de la resistencia diferencial negativa del dispositivo en estudio.
Imagen No. 2La imagen
2a es la estructura de red prevista. Los cuboides amarillos son electrodos terminales, los tubos negros son SWNT y los puntos morados son partículas POM.
2b es una fotomicrografía de un dispositivo de red SWNT / POM fabricado que tiene varios electrodos finales (1-6 en la imagen) con un espacio diferente entre los electrodos.
El estudio incluyó dos muestras:
A - tratado con etanol;
B - tratado con agua destilada.
Los gráficos en la imagen
2c son los cambios actuales en la muestra A con un aumento gradual en el voltaje de polarización de 0 V a 125 V.
Imagen No. 3El gráfico
3a muestra la
característica de voltaje de corriente * de la muestra A en el espacio entre los electrodos 1 y 2. Aquí vemos el pico NDR (flecha roja) entre 125 y 150 V de voltaje de polarización. Estos datos fueron recolectados en el aire a temperatura ambiente con un ciclo de línea eléctrica promedio de 100 y una línea eléctrica de 60 Hz.
Característica de voltio-amperio * - dependencia de la corriente de un circuito eléctrico de su voltaje.
Cuando el voltaje de polarización se incrementó a 150 V, la corriente se volvió inestable. En este caso, surgieron distribuciones no gaussianas que condujeron a la generación de una corriente periódica / aperiódica. Si el voltaje se establece mucho más alto que 150 V, entonces todo el sistema se vuelve inestable. En el gráfico
3b, esto es claramente visible debido a los impulsos eléctricos que han surgido. Su frecuencia es visible en un gráfico adicional (resaltado en rojo).
La característica de corriente - voltaje de la muestra B en el espacio entre los electrodos 1 y 2 se muestra en el gráfico
3c . Si el voltaje de polarización es superior a 80 V, se produce histéresis, lo que demuestra las características de NDR y la inestabilidad de la corriente. Si el voltaje estaba por debajo de 80 V, entonces no se observó inestabilidad fatal debido a la transferencia acelerada de iones en la muestra, que se trató con agua destilada (muestra
B ). No hubo tal efecto en la muestra
A , ya que fue tratada con etanol.
El gráfico
3D muestra la corriente a un voltaje de polarización = 80 V. Aquí puede ver signos de fluctuaciones de corriente periódicas / aperiódicas (aproximadamente 25 Hz) y pulsos eléctricos aleatorios.
A continuación, se muestran gráficos de Poincaré, en los que podemos ver la diferencia en el voltaje de polarización aplicado (
3e ) y la relación de la concentración de partículas de polioxometallato a nanotubos (
3f ).
El recuadro en el gráfico
3e muestra, como ejemplo, una secuencia corta de pulsos, donde t
n es el enésimo intervalo pico. Este indicador sirvió de base para crear el gráfico de Poincare. Cada punto corresponde a su intervalo entre picos (t
n , t
n +1), que posteriormente distingue visualmente el caos de la aleatoriedad.
Echemos un vistazo a la tabla
3e nuevamente. Todos los puntos que son intervalos interespecíficos con diferentes voltajes de polarización no exhiben las propiedades de
objetos auto-similares * . Esto sugiere que la secuencia de pulsos generados fue completamente aleatoria.
Auto-similitud * - cuando una parte de un objeto es parcial o completamente idéntica al objeto mismo:
Vale la pena señalar que la aleatoriedad y el caos son cosas completamente diferentes. De hecho, la palabra "caos" en matemáticas o física no tiene el mismo significado que estamos acostumbrados a entender a nivel cotidiano. Por ejemplo, en matemáticas, el caos es cuando se determina un sistema, es decir, los resultados de este sistema dependen estrictamente de los factores que lo afectan. Resulta que el caos no es un desastre, sino un cierto tipo de ordenamiento del sistema, si esto es muy exagerado.
Ácido dodecomolibdeno fosfato (H 3 PMo 12 O 40 )El análisis químico de una sustancia con un nombre impronunciable mostró que PMo
12 puede "almacenar" hasta 24 electrones, lo que por supuesto conduce a ciertos cambios en la estructura de la molécula.
Cabe señalar que la conductividad de un compuesto molecular varía según el estado electrónico y estructural, y esto conduce a la aparición de ruido eléctrico en la región de conexión.
Los investigadores resolvieron este problema demostrado por otros científicos. Si aplicamos el método de conmutación de conductividad por oxidación y
reducción * en las moléculas, la relación de conductividad débil a fuerte de la corriente eléctrica excederá 1000 incluso a un voltaje de polarización de menos de 1 V.
Reducción * - reducción del óxido (antípoda de oxidación).
Esta observación también se utilizó para crear el modelo, que se analiza en este estudio. La conductividad entre las moléculas de polioxometalato y los nanotubos cambia de débil a fuerte cuando el número de electrones en las moléculas
de PMo
12 excede su número máximo.
Como resultado, para que una molécula retenga varios electrones, la conductividad del compuesto intermolecular debe ser baja. Si hay demasiadas cargas, habrá una diferencia de potencial impresionante en todo el compuesto, lo que conducirá a una transición de baja a alta conductividad.
Cuando los electrones absorbidos por una molécula se descargan a través de un compuesto altamente conductor, se transfieren a la molécula vecina con el mayor potencial. Si esta molécula también se "empaqueta en los globos oculares" con electrones, entonces se produce una reacción en cadena en toda la red del sistema. Reacciones en cadena similares ocurren en el cuerpo humano. Toque su dedo con una superficie fría, los receptores táctiles recibirán información sobre el frío y la transferirán a su cerebro a través de la red neuronal. En pocas palabras, esta información viajará desde la punta de su dedo hasta su "computadora personal" en su cabeza, y todo esto a una velocidad de hasta 120 m / s.
Epílogo
Este estudio ha demostrado que el uso de sustancias específicas junto con nanoestructuras puede, bajo ciertas circunstancias, simular el funcionamiento del sistema nervioso de un organismo vivo. Una selección verificada de dichos componentes, basada en sus propiedades moleculares químicas, conductoras de la electricidad, nos permitirá crear un sistema que puede transferir electrones de un elemento a otro debido a la sobresaturación de las moléculas de H
3 PMo
12 O
40 . Los "puentes" entre los que se encuentran los nanotubos de carbono de pared simple.
No crearemos bloqueos en la nube y diremos directamente que el sistema anterior es extremadamente inestable y aún no se me ha recordado. Sin embargo, este es un gran paso hacia la creación de un nuevo tipo (aunque descrito en muchos estudios previos e incluso en literatura de ciencia ficción) de tecnología informática. Dichas máquinas no podrán reemplazar las computadoras clásicas, al menos no pronto, pero se utilizarán para trabajar en ciertas tareas específicas. O tal vez una computadora neuromórfica se convertirá en el estándar de la tecnología informática y con derecho llevará el título de "inteligencia artificial". El tiempo lo dirá. Mientras tanto, continuaremos monitoreando tales estudios, cada vez más sorprendidos por los métodos cada vez más no estándar para implementar dicho concepto.
Le recomiendo que se familiarice con el informe de los científicos, que describe en detalle los métodos de medición, así como el autómata celular del modelo de la red neuromórfica en estudio.Gracias por quedarte con nosotros. ¿Te gustan nuestros artículos? ¿Quieres ver más materiales interesantes?
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