Odkrycie to może m.in. doprowadzić do zbudowania wydajniejszych, energooszczędnych komputerów, inspirowanych działaniem sieci neuronów w mózgu oraz stworzenia wydajnych interfejsów mózg-komputer.

Ludzki mózg zawiera miliardy neuronów, wyspecjalizowanych komórek, które wysyłają i odbierają sygnały elektryczne w całym ciele. W swojej pracy jest on znacznie bardziej energooszczędny niż jakikolwiek komputer – działa z co najmniej 100-krotnie większą wydajnością niż obwód elektryczny przeciętnego komputera. Na wykonanie zadania, takiego jak napisanie opowiadania, mózg zużywa zaledwie 20 watów (W) mocy, czyli tyle co żarówka LED. To samo zdanie wykonywane przez model językowy, np. ChatGPT, może wymagać zużycia ponad 1 megawata (MW).

- Nasz mózg przetwarza ogromną ilość danych. Jednak jego zużycie energii jest bardzo, bardzo małe, zwłaszcza w porównaniu z ilością energii elektrycznej potrzebnej do uruchomienia dużego modelu językowego, takiego jak ChatGPT – skomentował główny autor pracy Shuai Fu z University of Massachusetts w Amherst (USA).

Inżynierowie od dawna dążyli do zaprojektowania sztucznych neuronów, które będą bardziej energooszczędne. Jednak poprzednie wersje sztucznych neuronów potrzebowały do działania 10 razy wyższego napięcia elektrycznego i zużywały 100 razy więcej mocy niż neurony naturalne. To sprawiało, że były mniej wydajne i nie mogły komunikować się bezpośrednio z żywymi neuronami, które są wrażliwe na silniejsze sygnały elektryczne.

Badaczom z University of Massachusetts w Amherst udało się skonstruować sztuczne neurony zasilane bakteryjnymi nanodrutami białkowymi, które działają jak prawdziwe - przy ekstremalnie niskim napięciu.

- Nasze (neurony) rejestrują zaledwie 0,1 wolta, czyli mniej więcej tyle samo, co neurony w naszych ciałach – skomentował współautor pracy Yun Yao. Pozwala to na bezproblemową komunikację z komórkami biologicznymi i radykalnie poprawia efektywność energetyczną, ocenili badacze.

Elementem, który pozwolił na stworzenie nowych sztucznych neuronów o niskim poborze mocy są nanodruciki białkowe syntetyzowany przez bakterię Geobacter sulfurreducens, która potrafi wytwarzać i przewodzić energię elektryczną.

Zdaniem autorów pracy wyniki ich badań mogą doprowadzić do powstania inspirowanych biologią komputerów o wydajności porównywalnej z żywymi organizmami oraz noszonych na ciele akcesoriów elektronicznych elektroniki noszonej, która nie będzie już potrzebowała energochłonnych wzmacniaczy sygnałów płynących z ciała.

- Obecnie dysponujemy wszelkiego rodzaju przenośnymi systemami czujników elektronicznych, ale są one stosunkowo nieporęczne i nieefektywne. Za każdym razem, gdy wykryją sygnał z naszego ciała, muszą go wzmocnić elektrycznie, aby komputer mógł go przeanalizować – wyjaśnił Yao. Zaznaczył, że wpływa to zarówno na większe zużycie energii, jak i wymaga bardziej złożonych układów.

- Czujniki zbudowane z naszych neuronów niskonapięciowych mogłyby w ogóle obejść się bez wzmocnienia – podkreślił badacz.

Prace inżynierów z Amherst mogą też znaleźć zastosowanie w opracowaniu wydajnych interfejsów mózg-komputer i urządzeń które mogłyby komunikować się bezpośrednio z naszymi ciałami.

Yao, wraz z kilkoma współpracownikami, już wykorzystał nanodruty białkowe bakterii do zaprojektowania całej gamy niezwykle wydajnych urządzeń: biofilmu zasilanego potem, który może zasilać elektronikę osobistą, „elektronicznego nosa” wykrywającego choroby oraz urządzenia, które można zbudować niemal ze wszystkiego i które może pobierać energię elektryczną z powietrza. (PAP)

jjj/ agt/