Slechts 10 jaar geleden, wetenschappers die werkten aan wat ze hoopten dat een nieuwe grens van neuromorfisch computergebruik zou openen, konden alleen maar dromen van een apparaat met behulp van miniatuurtools, memristors genaamd, die zouden functioneren / werken als echte hersensynapsen.

Maar nu heeft een team van de Universiteit van Massachusetts Amherst ontdekt, terwijl ze op weg zijn om eiwitnanodraden beter te begrijpen, hoe deze biologische, elektrisch geleidende filamenten om een ​​neuromorfe memristor te maken, of "geheugentransistor, " apparaat. Het werkt uiterst efficiënt op een zeer laag vermogen, zoals hersenen doen, om signalen tussen neuronen te vervoeren. Details zijn binnen Natuurcommunicatie .

Als eerste auteur Tianda Fu, een doctoraat kandidaat in elektrotechniek en computertechniek, verklaart, een van de grootste hindernissen voor neuromorfisch computergebruik, en een die het onbereikbaar maakte, is dat de meeste conventionele computers werken op meer dan 1 volt, terwijl de hersenen signalen sturen die actiepotentialen worden genoemd tussen neuronen van ongeveer 80 millivolt - vele malen lager. Vandaag, een decennium na vroege experimenten, memristorspanning is bereikt in het bereik dat vergelijkbaar is met dat van conventionele computers, maar daaronder komen leek onwaarschijnlijk, hij voegt toe.

Fu meldt dat het gebruik van eiwit-nanodraden die bij UMass Amherst zijn ontwikkeld uit de bacterie Geobacter door microbioloog en co-auteur Derek Lovely, hij heeft nu experimenten uitgevoerd waarbij memristors neurologische spanningen hebben bereikt. Die tests werden uitgevoerd in het laboratorium van onderzoeker op het gebied van elektrotechniek en computertechnologie en co-auteur Jun Yao.

Yao zegt, "Dit is de eerste keer dat een apparaat kan functioneren op hetzelfde spanningsniveau als de hersenen. Mensen durfden waarschijnlijk niet eens te hopen dat we een apparaat zouden kunnen maken dat net zo energie-efficiënt is als de biologische tegenhangers in een brein, maar nu hebben we realistisch bewijs van ultra-low power computing-mogelijkheden. Het is een doorbraak in het concept en we denken dat het veel onderzoek zal veroorzaken in elektronica die werkt in het biologische spanningsregime."

Lovely wijst erop dat de elektrisch geleidende eiwitnanodraden van Geobacter veel voordelen bieden ten opzichte van dure siliciumnanodraden, die giftige chemicaliën en energierijke processen vereisen om te produceren. Eiwit-nanodraden zijn ook stabieler in water of lichaamsvloeistoffen, een belangrijk kenmerk voor biomedische toepassingen. Voor dit werk, de onderzoekers knippen nanodraden van de bacteriën af, zodat alleen het geleidende eiwit wordt gebruikt, hij voegt toe.

Fu zegt dat hij en Yao eropuit waren om de gezuiverde nanodraden te testen, om te zien waartoe ze in staat zijn bij verschillende spanningen, bijvoorbeeld. Ze experimenteerden met een pulserend aan-uit patroon van positief-negatieve lading gestuurd door een kleine metalen draad in een memristor, waardoor een elektrische schakelaar ontstaat.

Ze gebruikten een metalen draad omdat eiwitnanodraden metaalreductie vergemakkelijken, veranderende metaalionreactiviteit en elektronenoverdrachtseigenschappen. Lovely zegt dat dit microbiële vermogen niet verrassend is, omdat wilde bacteriële nanodraden ademen en metalen chemisch reduceren om hun energie te krijgen zoals we zuurstof inademen.

Omdat de aan-uit-pulsen veranderingen in de metalen filamenten veroorzaken, nieuwe vertakkingen en verbindingen worden gemaakt in het kleine apparaat, die 100 keer kleiner is dan de diameter van een mensenhaar, legt Yao uit. Het creëert een effect dat lijkt op leren - nieuwe verbindingen - in een echt brein. Hij voegt toe, "Je kunt de geleidbaarheid moduleren, of de plasticiteit van de nanodraad-memristor-synaps, zodat het biologische componenten kan emuleren voor op de hersenen geïnspireerd computergebruik. Vergeleken met een conventionele computer, dit apparaat heeft een leervermogen dat niet op software is gebaseerd."

Fu herinnert zich, "In de eerste experimenten die we deden, de prestaties van de nanodraad waren niet bevredigend, maar het was genoeg voor ons om door te gaan." Meer dan twee jaar, hij zag verbetering tot op een noodlottige dag toen zijn en Yao's ogen werden geklonken door spanningsmetingen die op een computerscherm verschenen.

"Ik herinner me de dag dat we deze geweldige prestatie zagen. We keken naar de computer terwijl de huidige spanningszwaai werd gemeten. Hij bleef op en neer gaan en we zeiden tegen elkaar:'Wauw, het werkt.' Het was zeer verrassend en zeer bemoedigend."

Fu, Ja, Lovely en collega's zijn van plan deze ontdekking op te volgen met meer onderzoek naar mechanismen, en om "de chemie volledig te verkennen, biologie en elektronica" van eiwitnanodraden in memristors, Fu zegt, plus mogelijke toepassingen, waaronder een apparaat om de hartslag te controleren, bijvoorbeeld. Yao voegt toe, "Dit biedt hoop in de haalbaarheid dat dit apparaat op een dag kan praten met echte neuronen in biologische systemen."