UCLA-wetenschappers James Gimzewski en Adam Stieg maken deel uit van een internationaal onderzoeksteam dat een belangrijke stap heeft gezet in de richting van het doel om denkmachines te creëren.

Onder leiding van onderzoekers van het Japanse National Institute for Materials Science, het team creëerde een experimenteel apparaat dat kenmerken vertoonde die analoog zijn aan bepaald gedrag van de hersenen - leren, memoriseren, vergeten, waken en slapen. De krant, gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , beschrijft een netwerk dat voortdurend in beweging is.

"Dit is een systeem tussen orde en chaos, op de rand van chaos, " zei Gimzewski, een UCLA onderscheiden hoogleraar scheikunde en biochemie, een lid van het California NanoSystems Institute aan de UCLA en een co-auteur van de studie. "De manier waarop het apparaat voortdurend evolueert en verschuift, bootst het menselijk brein na. Het kan verschillende soorten gedragspatronen bedenken die zich niet herhalen."

Het onderzoek is een eerste stap op een pad dat uiteindelijk zou kunnen leiden tot computers die fysiek en functioneel lijken op de hersenen - machines die in staat zijn om problemen op te lossen waar hedendaagse computers mee worstelen, en dat vereist mogelijk veel minder stroom dan de huidige computers.

Het apparaat dat de onderzoekers bestudeerden, is gemaakt van een wirwar van zilveren nanodraden - met een gemiddelde diameter van slechts 360 nanometer. (Een nanometer is een miljardste van een meter.) De nanodraden waren gecoat in een isolerend polymeer van ongeveer 1 nanometer dik. Algemeen, het apparaat zelf was ongeveer 10 vierkante millimeter groot - zo klein dat er 25 nodig waren om een ​​dubbeltje te dekken.

Toegestaan ​​om willekeurig zelf te assembleren op een siliciumwafel, de nanodraden vormden sterk onderling verbonden structuren die opmerkelijk veel lijken op die van de neocortex, het deel van de hersenen dat betrokken is bij hogere functies zoals taal, perceptie en cognitie.

Een eigenschap die het nanodraadnetwerk onderscheidt van conventionele elektronische circuits is dat elektronen die er doorheen stromen de fysieke configuratie van het netwerk doen veranderen. In de studie, elektrische stroom zorgde ervoor dat zilveratomen vanuit de polymeercoating migreerden en verbindingen vormden waar twee nanodraden elkaar overlappen. Het systeem had ongeveer 10 miljoen van deze knooppunten, die analoog zijn aan de synapsen waar hersencellen verbinding maken en communiceren.

De onderzoekers bevestigden twee elektroden aan het hersenachtige gaas om te profileren hoe het netwerk presteerde. Ze observeerden "opkomend gedrag, " wat betekent dat het netwerk kenmerken als geheel vertoonde die niet konden worden toegeschreven aan de afzonderlijke delen waaruit het bestaat. Dit is een andere eigenschap waardoor het netwerk op de hersenen lijkt en het onderscheidt van conventionele computers.

Nadat er stroom door het netwerk vloeide, de verbindingen tussen nanodraden hielden in sommige gevallen wel een minuut aan, die leek op het proces van leren en onthouden in de hersenen. Andere tijden, de verbindingen stopten abrupt nadat de lading was beëindigd, nabootsen van het proces van vergeten van de hersenen.

Bij andere experimenten het onderzoeksteam ontdekte dat met minder stroom die naar binnen stroomt, het apparaat vertoonde gedrag dat overeenkomt met wat neurowetenschappers zien wanneer ze functionele MRI-scanning gebruiken om beelden te maken van de hersenen van een slapend persoon. Met meer kracht, het gedrag van het nanodraadnetwerk kwam overeen met dat van het wakkere brein.

De paper is de laatste in een reeks publicaties waarin nanodraadnetwerken worden onderzocht als een door de hersenen geïnspireerd systeem. een onderzoeksgebied dat Gimzewski samen met Stieg hielp pionieren, een UCLA-onderzoeker en een associate director van CNSI.

"Onze aanpak kan nuttig zijn voor het genereren van nieuwe soorten hardware die zowel energiezuinig zijn als in staat om complexe datasets te verwerken die de grenzen van moderne computers uitdagen, " zei Stieg, een co-auteur van de studie.

De borderline-chaotische activiteit van het nanodraadnetwerk lijkt niet alleen op signalering in de hersenen, maar ook op andere natuurlijke systemen zoals weerpatronen. Dat zou kunnen betekenen, met verdere ontwikkeling, toekomstige versies van het apparaat kunnen helpen bij het modelleren van dergelijke complexe systemen.

Bij andere experimenten Gimzewski en Stieg hebben al een zilveren nanodraadapparaat overgehaald om met succes statistische trends in verkeerspatronen in Los Angeles te voorspellen op basis van verkeersgegevens van voorgaande jaren.

Vanwege hun overeenkomsten met de innerlijke werking van de hersenen, toekomstige apparaten op basis van nanodraadtechnologie kunnen ook energie-efficiëntie aantonen, zoals de eigen verwerking van de hersenen. Het menselijk brein werkt op stroom die ongeveer gelijk is aan die van een gloeilamp van 20 watt. Daarentegen, computerservers waar arbeidsintensieve taken plaatsvinden - van training voor machine learning tot het uitvoeren van zoekopdrachten op internet - kunnen het equivalent van de energie van veel huishoudens gebruiken, met de bijbehorende CO2-voetafdruk.

"In onze studies we hebben een bredere missie dan alleen het herprogrammeren van bestaande computers, " Gimzewski zei. "Onze visie is een systeem dat uiteindelijk in staat zal zijn om taken aan te pakken die dichter bij de manier waarop de mens werkt."