Ο υπολογισμός τύπου εγκεφάλου είναι δυνατός σε ατομική κλίμακα

Μια πρωτοποριακή ανακάλυψη στο Πανεπιστήμιο του Λίμερικ αποκάλυψε για πρώτη φορά ότι ο μη συμβατικός υπολογισμός που μοιάζει με τον εγκέφαλο είναι δυνατός στη μικρότερη κλίμακα ατόμων και μορίων.


Ερευνητές στο Ινστιτούτο Bernal του Πανεπιστημίου του Λίμερικ συνεργάστηκαν με μια διεθνή ομάδα επιστημόνων για να δημιουργήσουν ένα νέο είδος οργανικού υλικού που μαθαίνει από την προηγούμενη συμπεριφορά του.

Η ανακάλυψη του «δυναμικού μοριακού διακόπτη» που μιμείται τη συναπτική συμπεριφορά αποκαλύφθηκε σε μια νέα μελέτη στο έγκριτο διεθνές περιοδικό Nature Materials.

Επικεφαλής της μελέτης ήταν ο Damien Thompson, Καθηγητής Μοριακής Μοντελοποίησης στο Τμήμα Φυσικής του UL και Διευθυντής του SSPC, του Ιρλανδικού Κέντρου Φαρμακευτικής Έρευνας, που φιλοξενείται από το UL Science Foundation, μαζί με τον Christian Niehuis του Κέντρου για Μόρια και Νανοσυστήματα Εμπνευσμένα από τον Εγκέφαλο στο University of Twente και Enrique del Barco του Πανεπιστημίου της Κεντρικής Φλόριντα.

Δουλεύοντας ενώ ήταν κολλημένη, η ομάδα ανέπτυξε ένα στρώμα μορίων πάχους δύο νανομέτρων που είναι 50.000 φορές πιο λεπτό από ένα σκέλος τρίχας και θυμάται την ιστορία του καθώς τα ηλεκτρόνια περνούν μέσα από αυτό.

Ο καθηγητής Thompson εξήγησε ότι «η πιθανότητα ενεργοποίησης και οι τιμές των καταστάσεων ενεργοποίησης/απενεργοποίησης αλλάζουν συνεχώς στο μοριακό υλικό, παρέχοντας μια ανατρεπτική νέα εναλλακτική λύση στους συμβατικούς ψηφιακούς διακόπτες με βάση το πυρίτιο που μπορούν να είναι είτε ενεργοποιημένοι είτε απενεργοποιημένοι.

Ο δυναμικός οργανικός διακόπτης που ανακαλύφθηκε πρόσφατα εμφανίζει όλες τις μαθηματικές λογικές συναρτήσεις που είναι απαραίτητες για τη βαθιά μάθηση, μιμούμενος με επιτυχία τη συναπτική εγκεφαλική συμπεριφορά «κλήση και απάντηση» της Παβλόβιας.

Οι ερευνητές κατέδειξαν τις ιδιότητες των νέων υλικών χρησιμοποιώντας εκτεταμένους πειραματικούς χαρακτηρισμούς και ηλεκτρικές μετρήσεις που υποστηρίζονται από μοντελοποίηση πολλαπλής κλίμακας που κυμαίνονται από προγνωστική μοντελοποίηση μοριακών δομών σε κβαντικό επίπεδο έως αναλυτική μαθηματική μοντελοποίηση ηλεκτρικών δεδομένων.

Για να μιμηθούν τη δυναμική συμπεριφορά των συνάψεων σε μοριακό επίπεδο, οι ερευνητές συνδυάζουν τη γρήγορη μεταφορά ηλεκτρονίων (παρόμοια με τα δυναμικά δράσης και τις διαδικασίες ταχείας αποπόλωσης στη βιολογία) με αργή δέσμευση πρωτονίων περιορισμένης διάχυσης (παρόμοιο με τον ρόλο των βιολογικών ιόντων ασβεστίου ή νευροδιαβιβαστών).

Επειδή τα βήματα της μεταφοράς ηλεκτρονίων και της δέσμευσης πρωτονίων μέσα στο υλικό συμβαίνουν σε πολύ διαφορετικές χρονικές κλίμακες, ο μετασχηματισμός μπορεί να μιμηθεί την πλαστική συμπεριφορά των νευρικών συνδέσεων συνάψεων, τη μάθηση του Παβλόβιου και όλες τις λογικές πύλες για ψηφιακά κυκλώματα, απλώς αλλάζοντας την εφαρμοζόμενη τάση και την διάρκεια των παλμών τάσης κατά τη σύντηξη, εξήγησαν.

«Αυτό ήταν ένα υπέροχο έργο, με τον Chris, τον Enrique και εγώ να πιέζουμε ο ένας τον άλλον μέσω κλιμακωμένων συναντήσεων και τεράστιων μηνυμάτων ηλεκτρονικού ταχυδρομείου για να φέρουμε τις συνδυασμένες δεξιότητες των ομάδων μας στη μοντελοποίηση, τη σύνθεση και τον χαρακτηρισμό υλικών στο σημείο όπου μπορούσαμε να επιδείξουμε αυτόν τον νέο υπολογιστικό εγκέφαλο. -όπως ιδιότητες», εξήγησε ο καθηγητής Thompson.

«Η κοινότητα γνώριζε από καιρό ότι η τεχνολογία πυριτίου λειτουργεί εντελώς διαφορετικά από τον τρόπο που λειτουργεί ο εγκέφαλός μας, και έτσι χρησιμοποιήσαμε νέους τύπους ηλεκτρονικών υλικών που βασίζονται σε μαλακά μόρια για να μιμηθούν τα δίκτυα υπολογιστών εγκεφάλου».

Οι ερευνητές εξήγησαν ότι στο μέλλον η μέθοδος θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε δυναμικά μοριακά συστήματα που οδηγούνται από άλλα ερεθίσματα όπως το φως και συνδέονται με διαφορετικούς τύπους σχηματισμού δυναμικού ομοιοπολικού δεσμού.

Αυτή η ανακάλυψη ανοίγει μια εντελώς νέα σειρά προσαρμόσιμων και επαναδιαμορφώσιμων συστημάτων, δημιουργώντας νέες ευκαιρίες στη βιώσιμη και πράσινη χημεία, από την αποτελεσματικότερη παραγωγή φαρμακευτικών προϊόντων και άλλων χημικών ουσιών προστιθέμενης αξίας μέσω της χημείας ροής έως την ανάπτυξη νέων οργανικών υλικών για υπολογιστές υψηλής πυκνότητας και αποθήκευση μνήμης σε μεγάλα κέντρα δεδομένων.

“Αυτό είναι μόνο η αρχή. Είμαστε ήδη απασχολημένοι με την κλιμάκωση αυτής της επόμενης γενιάς έξυπνων μοριακών υλικών, επιτρέποντας την ανάπτυξη βιώσιμων εναλλακτικών τεχνολογιών για την αντιμετώπιση μεγάλων προκλήσεων στην ενέργεια, το περιβάλλον και την υγεία», εξήγησε ο καθηγητής Thompson.

Ο καθηγητής Norelius Kennedy, αντιπρόεδρος έρευνας στο UL, δήλωσε: «Οι ερευνητές μας βρίσκουν συνεχώς νέους τρόπους για να δημιουργούν πιο αποτελεσματικά και πιο βιώσιμα υλικά. Αυτή η τελευταία ανακάλυψη είναι πολύ συναρπαστική, καταδεικνύοντας το εύρος και τη φιλοδοξία της διεθνούς μας συνεργασίας και καταδεικνύοντας την κορυφαία στον κόσμο ικανότητά μας στο UL να κωδικοποιούμε χρήσιμες ιδιότητες σε οργανικά υλικά.

Αναφορά: Wang Y, Zhang Q, Astier HPAG, et al. Δυναμικοί μοριακοί διακόπτες με υστερητική αρνητική διαφορική αγωγιμότητα που μιμούνται τη συναπτική συμπεριφορά. Night Mater. 2022: 1-9. doi: 10.1038/s41563-022-01402-2

Αυτό το άρθρο έχει αναδημοσιευτεί από τα παρακάτω υλικά. Σημείωση: Το υλικό μπορεί να έχει υποστεί επεξεργασία για το μήκος και το περιεχόμενο. Για περισσότερες πληροφορίες, επικοινωνήστε με την αναφερόμενη πηγή.

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *