Recette du cerveau artificiel: nanotubes, polyoxométallate et une pincée d'électrons

Le monde est proche, le cerveau humain est vaste
(Friedrich Schiller).

Une pensée très courte, mais incroyablement précise. Le cerveau humain reste à ce jour un mystère pour les scientifiques. Oui, nous savons depuis longtemps quoi et comment cela fonctionne, quelle section est responsable de quelles actions. Cependant, ce ne sont que les bases de la neurobiologie. Dire que le cerveau est compris par nous comme deux fois deux, c'est se tromper grandement. Et comment, sans comprendre votre propre cerveau, essayer d'en créer un artificiel? Est-ce stupide ou ambitieux? Et il ne s'agit pas de morceaux de fer ramassés dans le tas, qui dirigent les impulsions électriques au bon endroit, simulant ainsi le cerveau humain. Il s'agit d'un cerveau artificiel à part entière. Les tentatives pour créer quelque chose comme ça ne sont pas rares dans le monde de la science. Dans le monde de la science, il est généralement difficile de trouver ce que personne d'autre n'a fait. Aujourd'hui, nous vous rencontrerons des études visant à la mise en œuvre d'un dispositif de réseau neuromorphique moléculaire, qui se compose de nanotubes de carbone à paroi simple en conjonction avec du polyoxométallate. Cela semble extrêmement difficile, mais sacrément intéressant. Allons-y.

Base d'étude

Tous les types de technologies informatiques ne fonctionnent pas sur le même principe. En conséquence, chaque type est mieux adapté à certaines tâches. Les ordinateurs qui simulent le travail du cerveau humain intéressent les chercheurs car ils sont capables d'effectuer efficacement des calculs à faible puissance, ce qui est plus difficile à gérer avec les systèmes classiques.

Les sciences qui sous-tendent de nombreuses variantes de l'IA (intelligence artificielle) sont l'informatique et l'ingénierie. Cependant, cette étude est basée sur les neurosciences, combinant plusieurs domaines d'étude des connexions neuronales, des processus neuronaux et de la fonction cérébrale.

Afin de mettre en œuvre le concept de «cerveau artificiel», il est nécessaire d'apprendre à créer des neurones à impulsions artificielles qui simuleraient l'émergence d'impulsions nerveuses (ci-après pics), ainsi que la création de réseaux complexes et denses de ces pics.

Le codage des informations neuronales à l'aide de pics est un élément extrêmement important pour effectuer des opérations de transmission sur des membranes neuronales (lignes de transmission actives) à l'intérieur de supports bruyants et peu fiables.

Comprendre pleinement l'application pratique de la technologie, qui n'a pas encore été entièrement étudiée, reste difficile, comme disent les chercheurs. Cependant, d'excellents résultats sont déjà visibles sur l'utilisation de grands réseaux de neurones pulsés pour effectuer la séparation des signaux aveugles * , le calcul du réservoir * , etc.

Séparation aveugle des signaux * - séparation d'un ensemble de signaux source de signaux mixtes sans utiliser d'informations sur la source.

Le calcul de réservoir * est l'architecture d'un réseau neuronal pulsé, qui se compose d'un réservoir récurrent et de neurones de sortie.

À l'heure actuelle, les systèmes neuromorphiques sont bien inférieurs aux capacités du cerveau humain, car ils sont principalement constitués d'appareils basés sur CMOS * . CMOS * - structure complémentaire métal-oxyde-semi-conducteur. À leur tour, les scientifiques ont décidé de changer cette tradition établie en démontrant un dispositif de réseau neuromorphique moléculaire composé d'un réseau de nanotubes de carbone à paroi unique combiné avec du polyoxométallate * , qui dans ce cas remplace le silicium classique.


Nanotubes de carbone monocouche (SWNT) et multicouches (MWNT)

Le polyoxométallate * (POM) est un ion polyatomique, généralement un anion qui se compose de trois ou plusieurs oxyanions de métaux de transition réunis par des atomes d'oxygène communs pour former des cadres tridimensionnels fermés.

Pour créer une «machine» neuromorphique analogique, deux types d'appareils extrêmement importants sont nécessaires: les appareils synaptiques et les membranes neurales.

Le dispositif synaptique est situé à l'intersection des fils axonaux * et dendritiques * des dispositifs neuronaux et agit comme une transition membranaire, dont la force d'adhésion est maintenue.

Axon * est un processus de la cellule nerveuse du corps à travers lequel une impulsion est transmise de la cellule aux organes et autres cellules.

La dendrite * est un processus ramifié d'une cellule nerveuse qui reçoit des informations des axones d'autres cellules nerveuses.

La structure d'un neurone (cellule nerveuse)

Ce dispositif synoptique est constitué d'un réseau de nanotubes de carbone, mentionné précédemment.

Un dispositif à membrane neurale, qui est l'équivalent artificiel d'un neurone, produit des impulsions (pics) et les transmet via des connexions axonales et dendritiques à d'autres dispositifs de même nature.

L'utilisation de nanotubes à simple paroi est due au fait que les conducteurs métalliques à base de nanotubes de carbone génèrent un bruit électrique important avec une dynamique riche. De plus, les nanotubes à simple paroi ont des conductivités différentes, selon l' adsorption * des molécules.

L'adsorption * est un processus spontané d'augmentation de la concentration de soluté à l'interface entre deux phases.

La base de l'ensemble du dispositif expérimental était une substance de la catégorie des polyoxométallates - phosphate dodécomolybdique ( H ₃ PMo ₁₂ O ₄₀ ; ci-après simplement PMo ₁₂ ), qui démontre les propriétés redox multi-électroniques réversibles * , l'universalité électronique et la résistance différentielle négative * sur le graphite pyrolytique hautement orienté * .

Propriétés redox * - transfert d'électrons d'un atome à un autre. L'atome donneur est oxydé et l'atome récepteur est réduit.

La résistance différentielle négative * (NDR) est un type de résistance si, à mesure que le courant traverse le circuit, il augmente et la tension diminue.

Graphite pyrolytique hautement orienté * - dans cette étude est le substrat. Il a une bonne conductivité et réflexion.

Après avoir rassemblé tout ce qui précède en un tas, nous obtenons un appareil basé sur des nanotubes de carbone à paroi simple et du polyoxométallate, composé d'un réseau dense et complexe de molécules PMo ₁₂ qui simule un réseau neuronal pulsé.

Pour plus de clarté, les résultats des expériences et leur comparaison avec les calculs préliminaires, les chercheurs proposent d'envisager un modèle abstrait bidimensionnel des composés moléculaires.

Résultats de l'expérience

Image n ° 1

Dans l'image 1a, nous voyons une photographie d'un microscope à force atomique (AFM), qui montre la structure d'un nanotube à simple paroi en combinaison avec un polyoxométalate sur un substrat de silicium. Le diamètre des éléments structuraux ne dépasse pas plusieurs nanomètres et l'épaisseur totale de la structure est de 10 nm.

Le graphique 1b montre les caractéristiques de courant et de tension mesurées. La tension de balayage du contrôleur du microscope à force atomique étant fixe et extrêmement transitoire, les mesures ont été effectuées exclusivement à titre de contrôle préliminaire.

Nous pouvons observer plusieurs pics dans le graphique, indiquant que le courant n'a pas augmenté en douceur, car la tension de polarisation a augmenté en raison des caractéristiques de la résistance différentielle négative du dispositif à l'étude.


Image n ° 2

L'image 2a est la structure de réseau prévue. Les cuboïdes jaunes sont des électrodes d'extrémité, les tubes noirs sont SWNT et les points violets sont des particules de POM.

2b est une microphotographie d'un dispositif de réseau SWNT / POM fabriqué qui a plusieurs électrodes d'extrémité (1-6 dans l'image) avec un espacement différent entre les électrodes.

L'étude a porté sur deux échantillons:

A - traité à l'éthanol;
B - traité avec de l'eau distillée.

Les graphiques de l'image 2c sont les changements de courant dans l'échantillon A avec une augmentation progressive de la tension de polarisation de 0 V à 125 V.


Image n ° 3

Le graphique 3a montre la caractéristique courant-tension * de l' échantillon A dans l'espace entre les électrodes 1 et 2. Ici, nous voyons le pic NDR (flèche rouge) entre 125 et 150 V de tension de polarisation. Ces données ont été collectées dans l'air à température ambiante avec un cycle de ligne électrique moyen de 100 et une ligne électrique de 60 Hz.

Caractéristique volt-ampère * - dépendance du courant d'un circuit électrique à sa tension.

Lorsque la tension de polarisation a été augmentée à 150 V, le courant est devenu instable. Dans ce cas, des distributions non gaussiennes sont apparues, conduisant à la génération d'un courant périodique / apériodique. Si la tension est réglée bien au-dessus de 150 V, l'ensemble du système devient instable. Dans le graphique 3b, cela est clairement visible en raison des impulsions électriques qui sont apparues. Leur fréquence est visible sur un graphique supplémentaire (surligné en rouge).

La caractéristique courant-tension de l'échantillon B dans l'espace entre les électrodes 1 et 2 est représentée sur le graphique 3c . Si la tension de polarisation est supérieure à 80 V, une hystérésis se produit, démontrant les caractéristiques du NDR et de l'instabilité du courant. Si la tension était inférieure à 80 V, aucune instabilité fatale n'a été observée en raison du transfert accéléré des ions dans l'échantillon, qui a été traité avec de l'eau distillée (échantillon B ). Il n'y avait pas un tel effet dans l'échantillon A , car il était traité avec de l'éthanol.

Le graphique 3D montre le courant à une tension de polarisation = 80 V. Ici, vous pouvez voir des signes de fluctuations de courant périodiques / apériodiques (environ 25 Hz) et des impulsions électriques aléatoires.

Ensuite, nous montrons des graphiques de Poincaré, sur lesquels nous pouvons voir la différence dans la tension de polarisation appliquée ( 3e ) et le rapport de la concentration des particules de polyoxométallate aux nanotubes ( 3f ).

L'encart du graphique 3e montre, à titre d'exemple, une courte séquence d'impulsions, où t _n est le nième intervalle de crête. Cet indicateur a servi de base à la création du graphique de Poincaré. Chaque point correspond à son intervalle entre les pics (t _n , t _n +1), qui distingue ensuite visuellement le chaos du hasard.

Reprenons le graphique 3e . Tous les points qui sont des intervalles interspécifiques à différentes tensions de polarisation ne présentent pas les propriétés d' objets auto-similaires * . Cela suggère que la séquence d'impulsions générées était complètement aléatoire.

Auto-similitude * - lorsqu'une partie d'un objet est partiellement ou complètement identique à l'objet lui-même:

Il convient de noter que le hasard et le chaos sont des choses complètement différentes. En fait, le mot «chaos» en mathématiques ou en physique n'a pas la même signification que nous avons l'habitude de comprendre au niveau quotidien. Par exemple, en mathématiques, le chaos est lorsqu'un système est déterminé, c'est-à-dire que les résultats de ce système dépendent strictement des facteurs qui l'affectent. Il s'avère que le chaos n'est pas un gâchis, mais un certain type de commande du système, si cela est grandement exagéré.

Acide phosphate dodécomolybdène (H ₃ PMo ₁₂ O ₄₀ )

L'analyse chimique d'une substance au nom imprononçable a montré que le PMo ₁₂ peut «stocker» jusqu'à 24 électrons, ce qui entraîne bien sûr certains changements dans la structure de la molécule.

Il convient de noter que la conductivité d'un composé moléculaire varie en fonction de l'état électronique et structurel, ce qui conduit à l'apparition de bruit électrique dans la région de connexion.

Les chercheurs ont résolu ce problème en démontrant par d'autres scientifiques. Si nous appliquons la méthode de commutation de la conductivité par oxydation et réduction * sur les molécules, le rapport de la conductivité faible à forte du courant électrique dépassera 1000 même à une tension de polarisation inférieure à 1 V.

Réduction * - réduction de l'oxyde (antipode d'oxydation).

Cette observation a également été utilisée pour créer le modèle, qui est discuté dans cette étude. La conductivité entre les molécules de polyoxométallate et les nanotubes passe de faible à forte lorsque le nombre d'électrons dans les molécules PMo ₁₂ dépasse leur nombre maximum.

Par conséquent, pour qu'une molécule contienne plusieurs électrons, la conductivité du composé intermoléculaire doit être faible. Car s'il contient trop de charges, il y aura une différence de potentiel impressionnante à travers le composé entier, ce qui conduira à une transition de faible à haute conductivité.

Lorsque les électrons absorbés par une molécule sont déchargés à travers un composé hautement conducteur, ils se transfèrent vers la molécule voisine avec le plus grand potentiel. Si cette molécule est également «emballée jusqu'aux globes oculaires» avec des électrons, alors une réaction en chaîne se produit dans tout le réseau du système. Des réactions en chaîne similaires se produisent dans le corps humain. Touchez votre doigt sur une surface froide, les récepteurs tactiles recevront des informations sur le froid et les transfèreront à votre cerveau via le réseau neuronal. Autrement dit, ces informations se déplaceront du bout de votre doigt vers votre «ordinateur personnel» dans votre tête, et tout cela à une vitesse pouvant atteindre 120 m / s.

Épilogue

Cette étude a démontré que l'utilisation de substances spécifiques en conjonction avec des nanostructures peut, dans certaines circonstances, simuler le fonctionnement du système nerveux d'un organisme vivant. Une sélection vérifiée de ces composants, basée sur leurs propriétés moléculaires chimiques, électriquement conductrices, nous permettra de créer un système capable de transférer des électrons d'un élément à un autre en raison de la sursaturation des molécules H ₃ PMo ₁₂ O ₄₀ . "Ponts" entre lesquels se trouvent des nanotubes de carbone à simple paroi.

Nous ne construirons pas de verrous cloud et nous dirons directement que le système ci-dessus est extrêmement instable et n'a pas encore été évoqué. Cependant, c'est un grand pas vers la création d'un nouveau type (bien que décrit dans de nombreuses études précédentes et même dans la littérature de science-fiction) de technologie informatique. De telles machines ne pourront pas remplacer les ordinateurs classiques, du moins pas très tôt, mais seront utilisées pour travailler sur certaines tâches spécifiques. Ou peut-être qu'un ordinateur neuromorphique deviendra la norme de la technologie informatique et portera à juste titre le titre d '«intelligence artificielle». Le temps nous le dira. Dans l'intervalle, nous continuerons de suivre ces études, chaque fois surpris par les méthodes de plus en plus atypiques de mise en œuvre d'un tel concept.

Je vous recommande fortement de vous familiariser avec le rapport des scientifiques, qui décrit en détail les méthodes de mesure, ainsi que l'automate cellulaire du modèle du réseau neuromorphique à l'étude.

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