Могут ли искусственные клетки стать полноценной частью человеческого тела?
Инженеры из Северо-Западного университета достигли значительного прогресса, создав напечатанные искусственные нейроны, которые не просто имитируют биологические клетки, но и способны непосредственно взаимодействовать с ними. Эти устройства отличаются гибкостью, низкой себестоимостью и возможностью генерировать электрические сигналы, максимально приближенные к тем, которые производят живые нейроны, пишет SciTechDaily.
Смотрите также Ученые предлагают новый способ обнаружения жизни на других планетах
Во время лабораторных испытаний, где использовались срезы тканей мозга мышей, искусственные нейроны успешно стимулировали реальные клетки, вызывая измеряемые реакции. Этот успех демонстрирует новый уровень совместимости между электронными системами и биологическими нейронными сетями.
Почему это полезно?
Такая технология открывает двери для создания интерфейсов "мозг – машина" и усовершенствованных нейропротезов. Речь идет об имплантатах, предназначенных для восстановления слуха, зрения или двигательных функций у пациентов.
Кроме медицины, результаты исследования указывают на возможность создания значительно более эффективных компьютерных систем. Воспроизводя способ передачи сигналов нейронами – ключевую особенность мозга, который является наиболее энергоэффективной вычислительной системой – аппаратное обеспечение нового поколения сможет выполнять сложные задачи, потребляя значительно меньше энергии.
Исследование было опубликовано 15 апреля в журнале Nature Nanotechnology. Руководитель проекта Марк К. Герсам, профессор материаловедения и инженерии в Школе инженерии Маккормика, профессор медицины и химии, а также директор Центра исследований материаловедения Северо-Западного университета, отмечает важность этого открытия для современного мира.
Он обращает внимание, что в современном мире доминирует искусственный интеллект. Чтобы сделать ИИ умнее, его нужно обучать на все больших объемах данных. Такое обучение, требующее большого объема данных, приводит к серьезной проблеме с энергопотреблением.
Поэтому нам нужно разработать более эффективное оборудование для обработки больших данных и ИИ. Поскольку мозг в пять раз энергоэффективнее цифрового компьютера, логично искать вдохновение для вычислительной техники следующего поколения именно в мозге,
– прокомментировал свое исследование Марк К. Герсам.
Почему мозг лучше, чем железо?
Современные компьютерные системы, основанные на кремнии, пытаются решать сложные задачи путем добавления миллиардов идентичных компонентов, расположенных на жестких плоских платах. Эти системы являются статичными и не меняются после изготовления.
Зато мозг работает совсем иначе: он состоит из многих типов специализированных нейронов, организованных в мягкие трехмерные сети, которые постоянно адаптируются и формируют новые связи во время обучения.
Кремний достигает сложности за счет миллиардов идентичных устройств. Все одинаковое, жесткое и зафиксированное после изготовления. Мозг – полная противоположность. Он гетерогенный, динамичный и трехмерный. Чтобы двигаться в этом направлении, нам нужны новые материалы и новые методы создания электроники,
– добавляет Герсам.
Как это работает?
Для достижения такого сходства ученые использовали специальные электронные чернила, изготовленные из наноразмерных чешуек дисульфида молибдена (MoS2), выступающего полупроводником, и графена, который является проводником. Эти чернила наносились на гибкие полимерные поверхности с помощью метода аэрозольной струйной печати.
Интересно, что полимерный компонент, который ранее считался недостатком из-за препятствования прохождению тока, исследователи использовали в свою пользу. Частично разлагая полимер под действием тока, они создали узкие проводящие каналы, обеспечивающие внезапный электрический отклик, подобный импульсу настоящего нейрона.
Благодаря этому искусственные нейроны могут генерировать различные сигналы, включая одиночные всплески, стабильную стрельбу и серийные импульсы. Профессор нейробиологии Индира М. Раман вместе со своей группой подтвердила, что эти сигналы соответствуют естественным по времени и продолжительности.
Другие лаборатории пытались создать искусственные нейроны из органических материалов, но они срабатывали слишком медленно. Или использовали оксиды металлов, которые слишком быстрые. Мы находимся во временном диапазоне, который ранее не был продемонстрирован. Вы можете видеть, как живые нейроны реагируют на наш искусственный нейрон,
– объяснил Герсам.
Технология имеет еще одно большое преимущество
Кроме функциональности, новая технология является экологической и экономически выгодной. Метод аддитивной печати позволяет использовать материалы только там, где это необходимо, минимизируя отходы. Это критически важно, поскольку современные центры обработки данных ИИ потребляют гигаватты энергии и требуют огромного количества воды для охлаждения.
По словам Герсама, технологические компании уже строят гигаваттные дата-центры, которые требуют отдельных атомных электростанций.
Очевидно, что это массовое потребление энергии ограничит дальнейшее масштабирование вычислений, поскольку трудно представить дата-центр следующего поколения, который потребует 100 атомных электростанций,
– подытожил исследователь.
Пока нет данных о том, когда технологию можно будет применять на практике.