Главная » Хабрахабр » Рецепт искусственного мозга: нанотрубки, полиоксометаллат и щепотка электронов

Рецепт искусственного мозга: нанотрубки, полиоксометаллат и щепотка электронов

Тесен мир, мозг же человека необъятен
(Фридрих Шиллер).

Весьма короткая, но невероятно точная мысль. Человеческий мозг и по сей день остается загадкой для ученых. Да, мы уже давно знаем что и как работает, какой участок отвечает за какие действия. Однако это лишь азы нейробиологии. Сказать, что мозг понятен нам как дважды два, значит сильно заблуждаться. И как, не разобравшись с собственным мозгом, пытаться создать искусственный? Глупость ли это или же амбициозность? И дело идет не о собранных до кучи железках, которые направляют куда надо электрические импульсы, тем самым имитируя мозг человека. Дело идет о полноценном искусственном мозге. Попытки создать нечто подобное не редки в мире науки. В мире науки вообще сложно найти то чем еще никто не занимался. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованиями, нацеленными на реализацию молекулярного нейроморфного сетевого устройства, которое состоит из углеродных одностенных нанотрубок в сопряжении с полиоксометаллатом. Звучит крайне сложно, но чертовски интересно. Поехали.

Основа исследования

Не все типы вычислительной техники работают по одному и тому же принципу. Как следствие, каждый тип лучше подходит для выполнения определенных задач. Компьютеры, имитирующие работу человеческого мозга, вызывают интерес исследователей поскольку способны эффективно выполнять маломощные вычисления, с которыми сложнее справиться классическим системам.

Однако в основе данного исследования лежит нейронаука, объединяющая в себе несколько направлений изучения нервных связей, нейронных процессов и работы мозга. Науками, стоящими в основе многих вариаций ИИ (искусственного интеллекта), являются информатика и инженерия.

Для того, чтобы реализовать концепт «искусственный мозг», необходимо научится создавать искусственные импульсные нейроны, которые имитировали бы возникновение нервных импульсов (далее пиков), а также создание сложных и плотных сетей из этих пиков.

Кодирование нейронной информации с использованием пиков крайне важный элемент для выполнения операций передачи на нейронных мембранах (активные линии передачи) внутри шумных и ненадежных сред.

Однако уже сейчас видны отличные результаты по применению больших импульсных нейронных сетей для выполнения слепого разделения сигнала*, резервуарных вычислений* и т.д. Полноценно понять практическое применение технологии, которая еще до конца не изучена, пока сложно, как говорят исследователи.

Слепое разделение сигнала* — отделение набора исходных сигналов от смешанных без использования информации об источнике.

Резервуарные вычисления* — архитектура импульсной нейронной сети, которая состоит из рекуррентного резервуара и выходных нейронов.

На данный момент нейроморфные системы сильно уступают способностям человеческого мозга, поскольку состоят в основном из устройств на базе КМОП*.КМОП* — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник.В свою очередь, ученые решили изменить эту устоявшуюся традицию, продемонстрировав молекулярное нейроморфное сетевое устройство, состоящее из сети однослойных углеродных нанотрубок в объединении с полиоксометаллатом*, который в данном случае является заменой классическому кремнию.


Однослойная (SWNT) и многослойная углеродные нанотрубки (MWNT)

Полиоксометаллат* (POM) — многоатомный ион, обычно анион, который состоит из трех или более оксианионов переходных металлов, соединенных вместе общими атомами кислорода с образованием замкнутых трехмерных каркасов.

Для создания аналоговой нейроморфной «машины» необходимо два крайне важных типа устройств: синаптические устройства и нейронные мембраны.

Синаптическое устройство расположено на пересечении аксонных* и дендритных* проводов нейронных устройств и действует как мембранный переход, сила сцепления которого сохраняется.

Аксон* — отросток нервной клетки организма, по которому передается импульс от клетки к органам и другим клеткам.

Дендрит* — разветвлённый отросток нервной клетки, получающий информацию от аксонов других нервных клеток.


Строение нейрона (нервной клетки)

Данное синоптическое устройство состоит из сети углеродных нанотрубок, упомянутых ранее.

Нейронно-мембранное устройство, являющееся искусственным эквивалентом нейрона, продуцирует импульсы (пики) и передает их через аксонные и дендритные связи другим устройствам того же характера.

В дополнение к этому однослойные нанотрубки обладают различной проводимостью, зависящей от адсорбции* молекул. Использование однослойных нанотрубок обусловлено тем, что металлические проводники на основе углеродных нанотрубок генерируют большой электрический шум с богатой динамикой.

Адсорбция* — самопроизвольный процесс увеличения концентрации растворенного вещества у поверхности раздела двух фаз.

Основой всего экспериментального устройства стало вещество из категории полиоксометаллатов — фосфатдодекомолибденовая кислота (H3PMo12O40; далее просто PMo12), которая демонстрирует обратимые многоэлектронные окислительно-восстановительные свойства*, электронную универсальность и отрицательное дифференциальное сопротивление* на высокоориентированном пиролитическом графите*.

Отдающий атом окисляется, а принимающий восстанавливается. Окислительно-восстановительные свойства* — передача электронов от одного атома другому.

Отрицательное дифференциальное сопротивление* (NDR) — тип сопротивления, если при прохождении тока через электрическую цепь он увеличивается, а напряжение уменьшается.

Обладает хорошей проводимостью и отражением. Высокоориентированный пиролитический графит* — в данном исследовании является подложкой.

Собрав до кучи все вышеперечисленное, мы получаем устройство на базе однослойных углеродных нанотрубок и полиоксометаллата, состоящее из плотной и сложной сети молекул PMo12, имитирующей импульсную нейронную сеть.

Для наглядности результатов экспериментов и их сопоставления с предварительными расчетами, исследователи предлагают рассматривать абстрактную двумерную модель молекулярных соединений.

Результаты экспериментов


Изображение №1

Диаметр элементов структуры не превышает несколько нанометров, а общая толщина структуры составляет 10 нм. На изображении мы видим снимок атомно-силового микроскопа (AFM), на котором видна структура одностенной нанотрубки в сочетании с полиоксометаллатом на подложке из кремния.

Поскольку напряжение развертки контроллере атомно-силового микроскопа было фиксированным и крайне скоротечным, измерения проводились исключительно как предварительная проверка. График 1b демонстрирует измеренные характеристики тока и напряжения.

Мы можем наблюдать несколько пиков на графике, говорящих о том, что ток увеличивался не плавно, поскольку напряжение смещения увеличилось за счет характеристик отрицательного дифференциального сопротивления исследуемого устройства.


Изображение №2

Желтые кубоиды — концевые электроды, черные трубки — SWNT, а фиолетовые точки — частицы POM. Изображение это предполагаемая сетевая структура.

2b это микрофотография изготовленного сетевого устройства SWNT/POM, которое имеет несколько концевых электродов (1-6 на изображении) с разным расстоянием между электродами.

В исследовании участвовало два образца:

А — обработанный этанолом;
B — обработанный дистиллированной водой.

Графики на изображении это изменения тока в образце А при ступенчатом увеличении напряжения смещения от 0 В до 125 В.


Изображение №3

Тут мы видим пик NDR (красная стрелка) в промежутке 125 и 150 В напряжения смещения. График демонстрирует вольт-амперную характеристику* образца А в промежутке между электродами 1 и 2. Эти данные собирались в воздушной среде при комнатной температуре со средним значением циклов линии электропитания 100 и 60-герцовой линией электропередач.

Вольт-амперная характеристика* — зависимость тока электрической цепи от ее напряжения.

Когда же напряжение смещения было увеличено до 150 В, ток стал нестабильным. При этом возникли негауссовские распределения, приводящие к генерации периодического / апериодического тока. Если же напряжение установить значительно выше 150 В, то вся система становится нестабильна. На графике 3b это наглядно видно за счет возникших электрических импульсов. Их периодичность видна на дополнительном графике (выделен красной рамкой).

Если напряжение смещения равно более 80 В, то наблюдается возникновение гистерезиса, демонстрирующий характеристики NDR и нестабильность тока. Вольт-амперная характеристика образца В в промежутке между электродами 1 и 2 показана на графике . Подобного эффекта не было в образце А, так как он обрабатывался этанолом. Если же напряжение было ниже 80 В, то роковая нестабильность не наблюдалась из-за ускоренного переноса ионов в образце, который обработали дистиллированной водой (образец В).

Тут видны признаки периодических / апериодических колебаний тока (примерно 25 Гц) и случайные электрические импульсы. График 3d демонстрирует ток при напряжении смещения = 80 В.

Далее нам демонстрируют графики Пуанкаре, на которых мы можем увидеть разность примененного напряжения смещения () и соотношение концентрации частиц полиоксометаллата к нанотрубкам (3f).

Этот показатель и послужил основой создания графика Пуанкаре. На вставке в графике в качестве примера показана короткая последовательность импульсов, где tn — n-нный межпиковый интервал. Каждая точка соответствует своему межпиковому интервалу (tn, tn+1), что позволяет впоследствии визуально отличить хаос от случайности.

Все точки, являющиеся межвидовыми интервалами при разном напряжении смещения, не проявляют свойств самоподобных объектов*. Давайте еще раз взглянем на график . Это говорит о том, что последовательность генерируемых импульсов была абсолютно случайна.

Самоподобие* — когда часть объекта частично или полностью идентична самому объекту:

Стоит отметить, что случайность и хаос это абсолютно разные вещи. На самом деле, слово «хаос» в математике или физике не несет в себе тот же смысл, что мы привыкли понимать на бытовом уровне. К примеру, в математике хаос это когда система детерминирована, то есть результаты этой системы строго-настрого зависят от воздействующих на нее факторов. Получается, что хаос это не беспорядок, а определенный тип упорядоченности системы, это если сильно утрировать.

Фосфатдодекомолибденовая кислота (H3PMo12O40)

Химический анализ вещества с труднопроизносимым названием показал, что PMo12 может «хранить» до 24 электронов, что конечно приводит к определенным изменениям структуры молекулы.

Стоит отметить, что проводимость одного молекулярного соединения изменяется в зависимости от электронного и структурного состояния, а это приводит к возникновению электрических шумов в области соединения.

Если применить метод переключения проводимости путем окисления и редукции* на молекулах, то соотношение слабой к сильной проводимости электрического тока будет превышать 1000 даже при напряжении смещения меньше чем 1 В. Эту проблему исследователи решили путем продемонстрированным другими учеными.

Редукция* — восстановление из оксида (антипод окисления).

Это наблюдение было использовано и в создании модели, о которой и идет речь в данном исследовании. Проводимость между молекулами полиоксометаллата и нанотрубками изменяется от слабой к сильной, когда число электронов в молекулах PMo12 превышает их максимальное число.

Ибо, если в ней будет слишком много зарядов, возникнет внушительная разница потенциалов по всему соединению, что приведет к переходу от низкой к высокой проводимости. Как следствие, чтобы молекула могла удерживать несколько электронов, проводимость межмолекулярного соединения должна быть низкой.

Если же и эта молекула «забита под завязку» электронами, то возникает цепная реакция по всей сети системы. Когда электроны, поглощенные молекулой, разряжаются через высокопроводящее соединение, они переходят в соседнюю молекулу с наибольшим потенциалом. Дотроньтесь пальцем до холодной поверхности, тактильные рецепторы получат информацию о холоде и через нейронную сеть передадут ее в ваш мозг. Подобные цепные реакции происходят и в организме человека. Проще говоря, эта информация пройдет путь от кончика вашего пальца до вашего «персонального компьютера» у вас в голове, и все это со скоростью до 120 м/с.

Эпилог

Данное исследование продемонстрировало, что использование специфических веществ в сопряжении с наноструктурами могут при определенных обстоятельствах демонстрировать имитацию работы нервной системы живого организма. Выверенный подбор подобных составляющих, основанный на их химических, электропроводящих, молекулярных свойствах, позволит создать систему, способную передавать электроны от одного элемента к другому за счет перенасыщения молекул H3PMo12O40. «Мостами» между которыми служат однослойные углеродные нанотрубки.

Однако это большой шаг к созданию нового (хоть и описанного во многих предыдущих исследованиях и даже в научно-фантастической литературе) типа вычислительной техники. Не будем строить облачных замков и скажем прямо, что вышеописанная система крайне нестабильна и пока не доведена до ума. А может быть нейроморфный компьютер станет эталоном вычислительной техники и по праву будет носить титул «искусственный интеллект». Подобные машины не смогут заменить классические компьютеры, по крайней мере не скоро, но будут использоваться для работы над определенными специфическими задачами. А мы пока и дальше будем следить за подобными исследованиями, каждый раз удивляясь все более и более нестандартными методами реализации подобной концепции. Время покажет.

Настоятельно рекомендую ознакомиться с самим докладом ученых, в котором подробно описаны методики проведения измерений, а также клеточный автомат исследуемой модели нейроморфной сети.

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Проект Keystone: доверенная среда для запуска приложений на базе RISC-V

Команда исследователей из MIT и Калифорнийского университета в Беркли при поддержке Facebook, Google, Microsoft и других ИТ-гигантов представила проект Keystone. Это open source компонент, позволяющий организовать доверенную среду для запуска программ (trusted execution environment, TEE) на базе архитектуры RISC-V. Далее ...

[Перевод] Руководство по Node.js, часть 4: npm, файлы package.json и package-lock.json

Сегодня мы публикуем четвёртую часть перевода руководства по Node.js. В этом материале мы начнём разговор об npm а также рассмотрим особенности файлов package.json и package-lock.json. [Советуем почитать] Другие части цикла Основы npm Npm (node package manager) — это менеджер пакетов ...