O mundo está próximo, o cérebro humano é vasto
(Friedrich Schiller).
Um pensamento muito curto, mas incrivelmente preciso. O cérebro humano até hoje continua sendo um mistério para os cientistas. Sim, sabemos há muito tempo o que e como funciona, qual seção é responsável por quais ações. No entanto, este é apenas o básico da neurobiologia. Dizer que o cérebro é entendido por nós como duas vezes dois é estar muito enganado. E como, sem entender seu próprio cérebro, tentar criar um artificial? Isso é estupidez ou ambicioso? E a questão não é sobre pedaços de ferro coletados na pilha, que direcionam os impulsos elétricos para o lugar certo, simulando o cérebro humano. É sobre um cérebro artificial completo. Tentativas de criar algo assim não são raras no mundo da ciência. No mundo da ciência, geralmente é difícil encontrar o que ninguém mais fez. Hoje, encontraremos com você estudos voltados à implementação de um dispositivo de rede neuromórfica molecular, que consiste em nanotubos de carbono de parede única em conjunto com o polioxometalato. Parece extremamente difícil, mas muito interessante. Vamos lá
Base de estudo
Nem todos os tipos de tecnologia de computador funcionam com o mesmo princípio. Como resultado, cada tipo é mais adequado para determinadas tarefas. Os computadores que simulam o trabalho do cérebro humano são de interesse dos pesquisadores, pois são capazes de executar com eficiência a computação de baixa potência, o que é mais difícil de lidar com os sistemas clássicos.
As ciências subjacentes a muitas variações da IA (inteligência artificial) são ciência da computação e engenharia. No entanto, este estudo é baseado na neurociência, combinando várias áreas de estudo de conexões neurais, processos neurais e função cerebral.
Para implementar o conceito de “cérebro artificial”, é necessário aprender a criar neurônios de impulso artificial que simulariam o surgimento de impulsos nervosos (a seguir picos), bem como a criação de redes complexas e densas desses picos.
A codificação de informações neurais usando picos é um elemento extremamente importante para a execução de operações de transmissão em membranas neurais (linhas de transmissão ativas) em meios ruidosos e não confiáveis.
Entender completamente a aplicação prática da tecnologia, que ainda não foi totalmente estudada, ainda é difícil, como dizem os pesquisadores. No entanto, já são visíveis excelentes resultados no uso de grandes redes neurais pulsadas para realizar
separação cega de sinais * ,
computação de reservatório * , etc.
Separação de sinal cego * - separação de um conjunto de sinais da fonte dos sinais mistos sem usar informações sobre a fonte.
A computação de reservatório * é a arquitetura de uma rede neural pulsada, que consiste em um reservatório recorrente e neurônios de saída.
No momento, os sistemas neuromórficos são muito inferiores às habilidades do cérebro humano, uma vez que consistem principalmente em dispositivos baseados no
CMOS * .
CMOS * - estrutura complementar de óxido de metal-semicondutor. Por sua vez, os cientistas decidiram mudar essa tradição estabelecida demonstrando um dispositivo de rede neuromórfica molecular que consiste em uma rede de nanotubos de carbono de parede única combinados com
polioxometalato * , que neste caso é um substituto para o silício clássico.
Nanotubos de carbono de camada única (SWNT) e multicamada (MWNT)O polioxometalato * (POM) é um íon poliatômico, geralmente um ânion que consiste em três ou mais oxianiões de metais de transição unidos por átomos de oxigênio comuns para formar estruturas tridimensionais fechadas.
Para criar uma "máquina" analógica neuromórfica, são necessários dois tipos extremamente importantes de dispositivos: dispositivos sinápticos e membranas neurais.
O dispositivo sináptico está localizado na interseção dos fios
axônio * e
dendrítico * dos dispositivos neurais e atua como uma transição de membrana, cuja força de adesão é mantida.
O axônio * é um processo da célula nervosa do corpo através do qual um impulso é transmitido da célula para os órgãos e outras células.
O dendrito * é um processo ramificado de uma célula nervosa que recebe informações dos axônios de outras células nervosas.
A estrutura de um neurônio (célula nervosa)Este dispositivo sinóptico consiste em uma rede de nanotubos de carbono, mencionada anteriormente.
Um dispositivo de membrana neural, que é o equivalente artificial de um neurônio, produz impulsos (picos) e os transmite através de conexões axônicas e dendríticas a outros dispositivos da mesma natureza.
O uso de nanotubos de parede única deve-se ao fato de que condutores de metal baseados em nanotubos de carbono geram grande ruído elétrico com dinâmica rica. Além disso, os nanotubos de parede única têm condutividades diferentes, dependendo da
adsorção * de moléculas.
A adsorção * é um processo espontâneo de aumentar a concentração de soluto na interface entre duas fases.
A base de todo o dispositivo experimental foi uma substância da categoria de polioxometalatos -
ácido fosfato dodecomolibdênio (
H 3 PMo 12 O 40 ; doravante, simplesmente
PMo 12 ), que demonstra
propriedades redox multieletrônicas reversíveis
* , universalidade eletrônica e
resistência diferencial negativa * em
grafite pirolítico altamente orientado * .
Propriedades redox * - transferência de elétrons de um átomo para outro. O átomo que dá é oxidado e o átomo que recebe é reduzido.
A resistência diferencial negativa * (NDR) é um tipo de resistência se, à medida que a corrente flui através do circuito, aumenta e a tensão diminui.
Grafite pirolítica altamente orientada * - neste estudo é o substrato. Tem boa condutividade e reflexão.
Depois de coletar tudo isso acima, obtemos um dispositivo baseado em nanotubos de carbono de parede única e polioxometalato, consistindo em uma rede densa e complexa de moléculas de PMo
12 que simula uma rede neural pulsada.
Para maior clareza, os resultados de experimentos e sua comparação com cálculos preliminares, os pesquisadores propõem considerar um modelo bidimensional abstrato de compostos moleculares.
Resultados da Experiência
Imagem Nº 1Na imagem
1a, vemos uma fotografia de um microscópio de força atômica (AFM), que mostra a estrutura de um nanotubo de parede única em combinação com um polioxometalato em um substrato de silício. O diâmetro dos elementos estruturais não excede vários nanômetros e a espessura total da estrutura é de 10 nm.
O gráfico
1b mostra as características medidas de corrente e tensão. Como a tensão de varredura do controlador do microscópio de força atômica foi fixa e extremamente transitória, as medições foram realizadas exclusivamente como verificação preliminar.
Podemos observar vários picos no gráfico, indicando que a corrente não aumentou suavemente, uma vez que a tensão de polarização aumentou devido às características da resistência diferencial negativa do dispositivo em estudo.
Imagem No. 2A imagem
2a é a estrutura de rede pretendida. Cuboides amarelos são eletrodos finais, tubos pretos são SWNT e pontos roxos são partículas de POM.
2b é uma fotomicrografia de um dispositivo de rede SWNT / POM fabricado que possui vários eletrodos terminais (1-6 na imagem) com espaçamento diferente entre os eletrodos.
O estudo envolveu duas amostras:
A - tratado com etanol;
B - tratado com água destilada.
Os gráficos na imagem
2c são as mudanças de corrente na amostra A com um aumento gradual da tensão de polarização de 0 V a 125 V.
Imagem No. 3O gráfico
3a mostra a
característica de tensão de corrente * da amostra A no intervalo entre os eletrodos 1 e 2. Aqui vemos o pico de NDR (seta vermelha) entre 125 e 150 V de tensão de polarização. Esses dados foram coletados no ar à temperatura ambiente, com um ciclo médio de linha elétrica de 100 e uma linha elétrica de 60 Hz.
Característica volt-ampère * - dependência da corrente de um circuito elétrico em sua voltagem.
Quando a tensão de polarização foi aumentada para 150 V, a corrente ficou instável. Nesse caso, surgiram distribuições não gaussianas, levando à geração de uma corrente periódica / aperiódica. Se a tensão for ajustada muito acima de 150 V, todo o sistema se tornará instável. No gráfico
3b, isso é claramente visível devido aos impulsos elétricos que surgiram. Sua frequência é visível em um gráfico adicional (destacado em vermelho).
A característica corrente - tensão da amostra B no espaço entre os eletrodos 1 e 2 é mostrada no gráfico
3c . Se a tensão de polarização for superior a 80 V, ocorre histerese, demonstrando as características da NDR e da instabilidade da corrente. Se a tensão estivesse abaixo de 80 V, não seria observada instabilidade fatal devido à transferência acelerada de íons na amostra, que foi tratada com água destilada (amostra
B ). Não houve tal efeito na amostra
A , uma vez que foi tratada com etanol.
O gráfico
3d mostra a corrente com uma tensão de polarização = 80 V. Aqui você pode ver sinais de flutuações periódicas / aperiódicas de corrente (cerca de 25 Hz) e pulsos elétricos aleatórios.
A seguir, são mostrados gráficos de Poincaré, nos quais podemos ver a diferença na tensão de polarização aplicada (
3e ) e a proporção da concentração de partículas de polioxometalato em nanotubos (
3f ).
A inserção no gráfico
3e mostra, por exemplo, uma curta sequência de pulsos, onde t
n é o enésimo intervalo de pico. Este indicador serviu de base para a criação do gráfico Poincare. Cada ponto corresponde ao seu intervalo entre picos (
tn ,
tn +1), que subsequentemente distingue visualmente o caos da aleatoriedade.
Vamos dar uma olhada no gráfico
3e novamente. Todos os pontos que são intervalos interespecíficos em diferentes tensões de polarização não exibem as propriedades de
objetos auto-similares * . Isso sugere que a sequência de pulsos gerados era completamente aleatória.
Auto-similaridade * - quando uma parte de um objeto é parcial ou completamente idêntica ao próprio objeto:
Vale a pena notar que aleatoriedade e caos são coisas completamente diferentes. De fato, a palavra “caos” em matemática ou física não tem o mesmo significado que estamos acostumados a entender no nível cotidiano. Por exemplo, na matemática, o caos ocorre quando um sistema é determinado, ou seja, os resultados desse sistema dependem estritamente dos fatores que o afetam. Acontece que o caos não é uma bagunça, mas um certo tipo de ordenação do sistema, se isso for muito exagerado.
Ácido fosfato dodecomolibdênico (H 3 PMo 12 O 40 )A análise química de uma substância com um nome impronunciável mostrou que o PMo
12 pode "armazenar" até 24 elétrons, o que naturalmente leva a certas mudanças na estrutura da molécula.
Deve-se notar que a condutividade de um composto molecular varia de acordo com o estado eletrônico e estrutural, e isso leva ao aparecimento de ruído elétrico na região de conexão.
Os pesquisadores resolveram esse problema demonstrado por outros cientistas. Se aplicarmos o método de comutação da condutividade por oxidação e
redução * nas moléculas, a proporção de condutividade fraca a forte da corrente elétrica excederá 1000, mesmo com uma tensão de polarização inferior a 1 V.
Redução * - redução do óxido (antípoda da oxidação).
Essa observação também foi usada na criação do modelo, discutido neste estudo. A condutividade entre moléculas polioxometaladas e nanotubos muda de fraca para forte quando o número de elétrons nas moléculas de PMo
12 excede seu número máximo.
Como resultado, para que uma molécula retenha vários elétrons, a condutividade do composto intermolecular deve ser baixa. Pois, se houver muitas cargas nele, haverá uma impressionante diferença de potencial em todo o composto, o que levará a uma transição de baixa para alta condutividade.
Quando os elétrons absorvidos por uma molécula são descarregados através de um composto altamente condutor, eles se transferem para a molécula vizinha com maior potencial. Se essa molécula também é "empacotada até os olhos" com elétrons, ocorre uma reação em cadeia em toda a rede do sistema. Reações em cadeia semelhantes ocorrem no corpo humano. Toque o dedo em uma superfície fria, os receptores táteis receberão informações sobre o frio e o transferirão para o seu cérebro através da rede neural. Simplificando, essas informações vão da ponta do seu dedo para o seu “computador pessoal” na sua cabeça, e tudo isso a uma velocidade de até 120 m / s.
Epílogo
Este estudo demonstrou que o uso de substâncias específicas em conjunto com nanoestruturas pode, em certas circunstâncias, simular o funcionamento do sistema nervoso de um organismo vivo. Uma seleção verificada de tais componentes, com base em suas propriedades moleculares químicas, eletricamente condutoras, nos permitirá criar um sistema que pode transferir elétrons de um elemento para outro devido à supersaturação das moléculas de H
3 PMo
12 O
40 . "Pontes" entre as quais são nanotubos de carbono de parede única.
Não criaremos bloqueios na nuvem e diremos diretamente que o sistema acima é extremamente instável e ainda não foi lembrado. No entanto, este é um grande passo em direção à criação de um novo tipo de tecnologia de computador (embora descrita em muitos estudos anteriores e mesmo na literatura de ficção científica). Essas máquinas não poderão substituir computadores clássicos, pelo menos não em breve, mas serão usadas para trabalhar em determinadas tarefas específicas. Ou talvez um computador neuromórfico se torne o padrão da tecnologia computacional e com o título de "inteligência artificial". O tempo dirá. Enquanto isso, continuaremos monitorando esses estudos, cada vez mais surpresos com os métodos cada vez mais não padronizados para implementar esse conceito.
Eu recomendo fortemente que você se familiarize com o relatório dos cientistas, que descreve em detalhes os métodos de medição, bem como o autômato celular do modelo da rede neuromórfica em estudo.Obrigado por ficar conosco. Você gosta dos nossos artigos? Deseja ver materiais mais interessantes? Ajude-nos fazendo um pedido ou recomendando a seus amigos, um
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