/ Новости

Материалы с лёгким изменением фазового состояния позволяют моделировать деятельность мозга
Сотрудники Стэнфордского университета (США) создали функциональную модель синапса на основе материала с лёгким изменением фазового состояния.
Мозг человека по многим параметрам — надёжности работы, гибкости структуры, устойчивости к ошибкам — превосходит современные вычислительные системы. Кроме того, он куда более экономно расходует энергию: на моделирование пяти секунд его деятельности на суперкомпьютере, к примеру, уходит уже 500 с и 1,4 МВт.
Структурными элементами мозга, как известно, служат нейроны, количество которых у человека приближается к ста миллиардам. Соединение нейронов друг с другом обеспечивают синапсы, отвечающие за параллелизм и гибкость нашей вычислительной «схемы». Уникальной характеристикой последних считается пластичность, зависящая от момента времени импульса (spike-timing dependent plasticity), или способность нервных клеток изменять эффективность связи. Выполненные в ХХ веке эксперименты показали, что сила («вес») синапса зависит от порядка следования пре- и постсинаптических импульсов, а также от интервала времени между ними. Если приходящий пресинаптический импульс периодически предшествует постсинаптическому в пределах некоторого временнóго окна, то сила синапса возрастает (происходит потенциация), а в обратном случае наблюдается депрессия — уменьшение «веса» синапса.
Число синапсов в мозге человека оценивается в 1015. Очевидно, что электронная модель синапса должна быть максимально простой, но добиться этого в рамках привычной КМОП-технологии не получается: на создание одного устройства уходит около 20 транзисторов, которые занимают значительную площадь.
Схема связи нейронов в мозге человека и модель синапсов, построенная на базе GST (иллюстрация из журнала Nano Letters).
Материалы с лёгким изменением фазового состояния, которые привлекли внимание авторов новой работы, чаще всего используются при конструировании элементов памяти. Значения «0» и «1» в этом случае кодируются разными уровнями сопротивления, между которыми можно переключаться, подавая электрические импульсы, нагревающие материал и вызывающие фазовое превращение. Высокое сопротивление соответствует аморфному состоянию, а низкое — кристаллическому.
В своих опытах американцы задействовали давно известное халькогенидное стекло Ge2Sb2Te5 (GST), применяемое для создания рабочего слоя перезаписываемых DVD-дисков. Слой GST разместили между двумя электродами, выполненными из нитрида титана TiN, причём нижний был сделан тонким и вытянутым в длину.
Одиночный искусственный синапс. a-GST и c-GST — халькогенидное стекло в аморфном и кристаллическом состояниях. (Иллюстрация из журнала Nano Letters.)
Для моделирования синапса, сила которого регулируется плавно, двух выделенных уровней сопротивления явно недостаточно, и учёным пришлось разрабатывать оригинальную схему подачи импульсов напряжения, чтобы получить возможность постепенно варьировать параметры GST. Экспериментируя, они добились того, что сопротивление в аморфном и кристаллическом состоянии отличалось на порядок, а шаг изменения оказался совсем небольшим (весь процесс перехода можно было разбить сразу на 100 этапов). Последующие опыты убедительно доказали, что схема на базе GST при подаче искусственных пре- и постсинаптических импульсов на верхний и нижний электроды вполне адекватно воспроизводит действие синапса и позволяет вывести уже установленное биологами правило изменения его «веса».
Энергию, расходуемую на перевод устройства в состояние с высоким сопротивлением, исследователи оценили в ~50 пДж, а энергию, необходимую для перевода GST в кристаллическое состояние, — в 0,675 пДж. По их словам, энергопотребление можно снижать и дальше, урезая диаметр нижнего электрода; если его уменьшить до 20 нм, расход должен сократиться до 2 и 0,027 пДж. КМОП-моделям такие показатели недоступны.
Стоит заметить, что материалы с лёгким изменением фазового состояния хорошо подходят и для моделирования нейронов. Доказательства этого совсем недавно представила научная группа из британского Эксетерского университета.
Полная версия статьи, написанной специалистами из Стэнфорда, опубликована в журнале Nano Letters; её текст можно скачать отсюда.
Подготовлено по материалам NewScientist.
Источник: http://science.compulenta.ru/621832/
Поделиться в Живом Журнале
Стать расой бессмертных – главная эволюционно-историческая задача человечества в III тысячелетии
Имея мышление бессмертных, парадигму бессмертных в качестве мировоззренческой основы, такие люди обязательно реализуют подобные технологии, и мир радикально изменится. Эволюционная ветвь гомо сапиенс в очередной раз сделает крутой вираж и вынесет человечество к невообразимым высотам, туда, где раньше парили только избранные одиночки – бессмертные и боги.
ПодробнееРобот открыл холодильник и принес оттуда пиво
Немецкие разработчики научили гуманоидного робота-помощника TIAGo самостоятельно искать путь к холодильнику, открывать его и приносить пиво. Модульный суперкомпьютер NVIDIA Jetson TX2, служащий зрительным центром робота, позволил ему не только эффективно проложить путь, но и найти пиво запрошенной марки по этикетке.
ПодробнееВ Швеции попытаются создать электронные копии умерших людей
Руководство крупной сети шведских похоронных бюро «Феникс» поставило перед собой амбициозную цель: попытаться создать максимально правдоподобные электронные копии усопших людей.
ПодробнееУчёные из США разработали искусственный аналог глаза
Новое изобретение представили учёные из Школы инженерных и прикладных наук при Гарвардском университете — они создали искусственный глаз, работающий по принципу человеческого.
ПодробнееАмериканцы занялись разработкой реактивных дронов для истребителей
Массачусетский технологический институт по заказу ВВС США занялся разработкой компактных реактивных беспилотных летательных аппаратов, которые можно было бы запускать со стандартного подвеса для ракет под крылом истребителя. Новая разработка получила название Firefly.
ПодробнееToyota представила гуманоидного робота с экзоскелетным управлением
Компания Toyota представила гуманоидного робота T-HR3, управляемого с помощью экзоскелетного контроллера с шлемом виртуальной реальности. Система позволяет оператору управлять движениями робота на месте или передвигать его, а также чувствовать отдачу при взаимодействии с объектами.
ПодробнееЧеловекоподобный робот научился делать сальто
Специалисты Boston Dynamics научили прямоходящего робота Atlas выполнять сальто. Ролик с демонстрацией его новых способностей опубликован на YouTube-канале компании.
ПодробнееРобот-спасатель от Honda: пять «глаз» и 33 степени подвижности
На Конференции по робототехнике в Ванкувере компания Honda представила прототип робота-спасателя E2-DR. У новинки 33 степени подвижности, пять «глаз» и защищенный от пыли и влаги корпус.
ПодробнееToyota представила автомобиль-робот, в салоне которого сразу 2 водительских места
Казалось бы, суть самоуправляемых автомобилей заключается в том, чтобы максимально обеспечить удобство пассажиров и «убрать» из салона водителя, доверив контроль за ситуацией роботу. Вроде бы логичное решение, но вот автоконцерн Toyota думает иначе. Недавно они представили крайне продвинутую версию самоуправляемого авто. Только вот водительских мест в нем аж целых два.
ПодробнееRHP2 - гуманоидный робот, созданный для того, чтобы падать, подниматься и снова падать
Исследователи-робототехники во всем мире тратят безумно большое количество времени и усилий для того, чтобы предотвратить или уменьшить вероятность падения создаваемых ими роботов.
ПодробнееМифы и факты о сверхумном искусственном интеллекте
Станет ли искусственный интеллект лучшим изобретением человечества или же, наоборот, его худшей ошибкой?
Подробнее/ мнения экспертов и членов инициативной группы
- Историк и теоретик культуры, культуролог, консультант по культурному развитию. Доцент Института искусств и культуры и Философского факультета ТГУ
Дмитрий Владимирович
Галкин«Искусство – уникальный ресурс для фабрики инноваций. Только в искусстве креативная мощь так тесно связана с порождением смыслов и гуманизацией технологий...»
- Британский учёный-киборг. Доктор наук в области технической кибернетики (Институт теории информации и автоматизации Чешской АН, 1994). PhD в области электротехники (системы управления) (Имперский колледж Лондона, 1982)
Кевин
Уорвик«...Я прочел все ваши материалы, и большинство идей мне очень близки. Ваш план работ на ближайшие 30 лет меня восхищает!»
- Доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой химической энзимологии МГУ, член-корреспондент Российской Академии наук, директор Института биохимической физики РАН
Сергей Дмитриевич
ВарфоломеевЧлен инициативной группы«Нужно иметь электронный вариант мозга. Физический мозг, на мой взгляд, не может являться предметом интереса, так как он очень субтилен. Но вот создание электронного аналога с полным рецепторным оснащением, которое имело бы ту же историю, стимулы, мотивации, — это может оказаться очень интересно...»
- Российский писатель-футуролог, журналист
Максим
КалашниковЧлен инициативной группы«Это то, что еще никто в мире не решился делать. Создание сверх- и постлюдей считаю спасением нас от вырождения и вымирания, обретением новой силы. Именно это может сделать Россию мировым лидером....»
- Доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейроинтерфейсов биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова
Александр Яковлевич
Каплан«К тому времени, когда мозг можно будет перенести в искусственное тело, роботы достигнут совершенства формы и будут выглядеть, как вполне приличное человеческое тело...»
- Доктор биологических наук, заведующая лабораторией липидного обмена РНИИ геронтологии
Елена Владимировна
ТерёшинаЧлен инициативной группы«И не нужно бояться. Проект по созданию носителя для бессмертного разума очень нужен. Конечно, природа рождает умных, талантливых, гениальных людей, но они смертны. Человечество выходит из этого положения — создает книги. И знания так или иначе передаются потомкам. А представьте, гений будет работать вечно!..»
- Руководитель Отдела медицинской психологии (Научный Центр Психического Здоровья РАМН), действительный член Академии медико-технических наук РФ
Сергей Николаевич
Ениколопов«Разговоры о том, что технологически мы можем достичь бессмертия, во всяком случае, фантастического удлинения жизни, ведут к пересмотру огромного пласта наших собственных убеждений».
- Доктор медицинских наук, профессор, заведующий лабораторией роста клеток и тканей Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН
Борис Карпович
Гаврилюк«Для кожи киборга нужно просто сделать систему питания. А вообще... мы ведь несложно устроены! Есть всего несколько систем: кровеносная разносит кислород и питательные вещества, выделительная выводит отходы. Остальное — рабочие органы. Вначале можно сделать простейший живой организм. А потом более сложные системы...»
- Доктор технических наук, профессор
Александр Александрович
БолонкинЧлен инициативной группы«Искусственное механическое тело будет обладать огромной силой и переносить экстремальные внешние условия: высокие температуры, давление, радиацию, космос...»
- Доктор биологических наук, профессор, изобретатель аппарата «Биоискусственная печень»
Вячеслав Евгеньевич
РябининЧлен инициативной группы«Вся тенденция развития науки показывает: то, что мы считали невозможным, становится возможным. Кто мог представить, что руки и ноги начнут ходить под влиянием соответствующих импульсов? Прогресс движется не в арифметической, а в геометрической прогрессии...»
- Руководитель компании «Нейроботикс»
Владимир Анатольевич
КонышевЧлен инициативной группы«Перенос мозга в искусственное тело — более выносливое, более совершенное — единственная возможность человеческой расе остаться на Земле...»
- Директор Центра клеточных и биомедицинских технологий Первого Московского государственного медицинского университета, специалист по осознанному управлению здоровьем, биотерапии и профилактике старения
Дмитрий Алексеевич
ШаменковЧлен инициативной группы«Тело постепенно становится искусственным, появляются новые ткани, замещающие существующие, новые средства коммуникации, так или иначе расширяющие пределы нашего тела. Безусловно, человек технологизируется. Поэтапно мы движемся к формированию кибернетического организма...»
- Доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией математической нейробиологии Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН
Александр Алексеевич
Фролов«Проблема создания искусственной памяти, сохраняющей содержимое естественной памяти индивидуального человека, хотя и является сложной, но представляется разрешимой...»
- Профессор практики Московской школы управления СКОЛКОВО, к.э.н., партнер группы "Метавер"
Павел Олегович
Лукша«Развитие интерфейсов позволяет принципиально по-другому взаимодействовать не только с локальным пространством, но и с глобальным пространством, т.е. продолжая «мозг – компьютер – Сеть», мы можем получать системы принципиально нового способа организации».
- Доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой биомедицинских систем Московского государственного института электронной техники, главный редактор журнала «Медицинская техника»
Сергей Васильевич
СелищевЧлен инициативной группы«Глобальных и неразрешимых технических проблем для создания полностью искусственного тела не существует. Все задачи понятны и потенциально решаемы...»