Wetenschap
Eerste experimenteel bewijs voor hersenachtige computer met water en zout
Theoretisch natuurkundigen van de Universiteit Utrecht zijn er samen met experimenteel natuurkundigen van de Sogang Universiteit in Zuid-Korea in geslaagd een kunstmatige synaps te bouwen. Deze synaps werkt met water en zout en levert het eerste bewijs dat een systeem dat hetzelfde medium gebruikt als onze hersenen complexe informatie kan verwerken.
De resultaten verschijnen in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences .
In hun streven om de energie-efficiëntie van conventionele computers te verbeteren, hebben wetenschappers zich lange tijd tot het menselijk brein gewend voor inspiratie. Ze streven ernaar de buitengewone capaciteiten ervan op verschillende manieren na te bootsen.
Deze inspanningen hebben geleid tot de ontwikkeling van hersenachtige computers, die afwijken van de traditionele binaire verwerking en analoge methoden omarmen die vergelijkbaar zijn met onze hersenen. Terwijl onze hersenen echter werken met behulp van water en opgeloste zoutdeeltjes, ionen genaamd, als medium, vertrouwen de meeste huidige op de hersenen geïnspireerde computers op conventionele vaste materialen.
Dit roept de vraag op:zouden we niet een getrouwere replicatie van de werking van de hersenen kunnen bereiken door hetzelfde medium te gebruiken? Deze intrigerende mogelijkheid vormt de kern van het snelgroeiende veld van iontronisch neuromorfisch computergebruik.
Kunstmatige synaps
In het laatste onderzoek gepubliceerd in PNAS hebben wetenschappers voor de allereerste keer een systeem gedemonstreerd dat afhankelijk is van water en zout en dat het vermogen vertoont om ingewikkelde informatie te verwerken, wat de functionaliteit van onze hersenen weerspiegelt. Centraal bij deze ontdekking staat een klein apparaatje van 150 bij 200 micrometer, dat het gedrag van een synaps nabootst – een essentieel onderdeel in de hersenen dat verantwoordelijk is voor het overbrengen van signalen tussen neuronen.
Tim Kamsma, een Ph.D. kandidaat aan het Instituut voor Theoretische Fysica en het Wiskundig Instituut van de Universiteit Utrecht, en de hoofdauteur van de studie, drukt zijn opwinding uit door te stellen:“Hoewel er al kunstmatige synapsen bestaan die in staat zijn om complexe informatie te verwerken, gebaseerd op vaste materialen, laten we nu zien voor de de eerste keer dat deze prestatie ook kan worden bereikt met behulp van water en zout. We repliceren effectief neuronaal gedrag met behulp van een systeem dat hetzelfde medium gebruikt als de hersenen."
Ionenmigratie
Het apparaat, ontwikkeld door wetenschappers in Korea en een iontronische memristor genoemd, bestaat uit een kegelvormig microkanaal gevuld met een oplossing van water en zout. Bij het ontvangen van elektrische impulsen migreren de ionen in de vloeistof door het kanaal, wat leidt tot veranderingen in de ionenconcentratie.
Afhankelijk van de intensiteit (of duur) van de impuls, past de geleidbaarheid van het kanaal zich dienovereenkomstig aan, wat de versterking of verzwakking van verbindingen tussen neuronen weerspiegelt. De mate van verandering in de geleiding dient als een meetbare weergave van het ingangssignaal.
Een aanvullende bevinding is dat de lengte van het kanaal van invloed is op de tijd die nodig is voordat concentratieveranderingen verdwijnen. "Dit suggereert de mogelijkheid om kanalen aan te passen om informatie gedurende verschillende perioden vast te houden en te verwerken, opnieuw vergelijkbaar met de synaptische mechanismen die in onze hersenen worden waargenomen", zegt Kamsma.
De ontstaansgeschiedenis van deze ontdekking is terug te voeren op een idee van Kamsma, die nog niet zo lang geleden aan zijn promotieonderzoek begon. Hij transformeerde dit concept, waarbij het gebruik van kunstmatige ionenkanalen voor classificatietaken centraal stond, in een robuust theoretisch model.
“Toevallig kruisten onze paden in die periode de onderzoeksgroep in Zuid-Korea”, zegt Kamsma. "Ze omarmden mijn theorie met groot enthousiasme en begonnen snel met experimenteel werk dat daarop gebaseerd was."
Opmerkelijk genoeg kwamen de eerste bevindingen slechts drie maanden later uit, wat nauw aansluit bij de voorspellingen die in Kamsma's theoretische raamwerk zijn geschetst. "Ik dacht wauw!" hij reflecteert. "Het is ongelooflijk bevredigend om getuige te zijn van de overgang van theoretische vermoedens naar tastbare resultaten uit de echte wereld, die uiteindelijk resulteren in deze prachtige experimentele resultaten."
Een belangrijke stap voorwaarts
Kamsma onderstreept de fundamentele aard van het onderzoek en benadrukt dat iontronisch neuromorfisch computergebruik, hoewel het een snelle groei doormaakt, nog in de kinderschoenen staat. Het beoogde resultaat is een computersysteem dat qua efficiëntie en energieverbruik veel beter is dan de huidige technologie. Of deze visie werkelijkheid zal worden, blijft op dit moment echter speculatief. Toch beschouwt Kamsma de publicatie als een belangrijke stap voorwaarts.
"Het vertegenwoordigt een cruciale vooruitgang in de richting van computers die niet alleen de communicatiepatronen van het menselijk brein kunnen nabootsen, maar ook hetzelfde medium kunnen gebruiken", beweert hij. "Misschien zal dit uiteindelijk de weg vrijmaken voor computersystemen die de buitengewone mogelijkheden van het menselijk brein getrouwer repliceren"