Τεχνητοί νευρώνες από βακτήρια φέρνουν την τεχνολογία πιο κοντά στη βιολογία

Μια ομάδα μηχανικών από το University of Massachusetts Amherst έκανε ένα εντυπωσιακό άλμα προς το μέλλον της βιοηλεκτρονικής, δημιουργώντας τους πρώτους τεχνητούς νευρώνες που λειτουργούν σχεδόν όπως οι φυσικοί — και μάλιστα με εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.

Οι ερευνητές κατάφεραν να αναπτύξουν αυτούς τους νευρώνες χρησιμοποιώντας νανοσύρματα πρωτεϊνών που παράγονται από βακτήρια, ανοίγοντας τον δρόμο για έναν νέο τύπο «ζωντανής» τεχνολογίας που θα μπορεί να επικοινωνεί απευθείας με βιολογικά συστήματα.

Η ανακάλυψη μπορεί να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε τη σύνδεση ανάμεσα στη βιολογία και την τεχνητή νοημοσύνη. Οι μηχανικοί του UMass Amherst εξηγούν ότι ο νέος τεχνητός νευρώνας μιμείται με ακρίβεια τη λειτουργία ενός πραγματικού εγκεφαλικού κυττάρου, αλλά απαιτεί ελάχιστη ηλεκτρική ενέργεια για να λειτουργήσει — μόλις 0,1 Volt, σχεδόν ίδιο με αυτό που παράγουν οι ανθρώπινοι νευρώνες.

«Ο εγκέφαλός μας επεξεργάζεται τεράστιες ποσότητες δεδομένων με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας», σημειώνει ο Shuai Fu, υποψήφιος διδάκτορας στο τμήμα ηλεκτρολόγων μηχανικών και πληροφορικής και κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Αρκεί να σκεφτεί κανείς ότι ο ανθρώπινος εγκέφαλος χρειάζεται μόλις 20 Watt για να γράψει μια ιστορία, ενώ ένα μεγάλο γλωσσικό μοντέλο, όπως το ChatGPT, μπορεί να χρειάζεται πάνω από ένα μεγαβάτ για να κάνει το ίδιο».

Η σύγκριση είναι αποκαλυπτική: το ανθρώπινο σώμα λειτουργεί με ενεργειακή απόδοση πάνω από εκατό φορές μεγαλύτερη από αυτή ενός κλασικού ηλεκτρονικού κυκλώματος. Οι επιστήμονες εδώ και χρόνια προσπαθούν να αναπαράγουν αυτή τη φυσική αποτελεσματικότητα μέσω τεχνητών νευρώνων, όμως το υψηλό ηλεκτρικό φορτίο αποτελούσε πάντα εμπόδιο. Οι περισσότερες προηγούμενες προσπάθειες απαιτούσαν τουλάχιστον δεκαπλάσιο ρεύμα σε σχέση με αυτό των φυσικών νευρώνων, γεγονός που εμπόδιζε την άμεση επικοινωνία τους με βιολογικούς ιστούς.

«Οι δικοί μας τεχνητοί νευρώνες λειτουργούν στο ίδιο επίπεδο τάσης με τους φυσικούς — μόλις 0,1 Volt», εξηγεί ο Jun Yao, αναπληρωτής καθηγητής στο UMass Amherst και επικεφαλής της έρευνας. «Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να τους συνδέσουμε απευθείας με κύτταρα ή ιστούς, χωρίς να προκαλούμε ηλεκτρική βλάβη, κάτι που ήταν αδύνατο μέχρι σήμερα».

Η δυνατότητα αυτής της άμεσης επικοινωνίας ανοίγει τεράστιες προοπτικές. Από τη δημιουργία νέων βιοεμπνευσμένων υπολογιστών που λειτουργούν με τη φυσική ενεργειακή αποδοτικότητα του εγκεφάλου, έως φορητές ηλεκτρονικές συσκευές που «συνομιλούν» με το ανθρώπινο σώμα, οι εφαρμογές είναι πολυάριθμες. Ο Yao εξηγεί:

Σήμερα, κάθε φορά που μια φορητή συσκευή ανιχνεύει ένα σήμα από το σώμα, χρειάζεται να το ενισχύσει ηλεκτρικά για να το επεξεργαστεί ένας υπολογιστής. Αυτή η ενίσχυση αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας και την πολυπλοκότητα του κυκλώματος. Με τους χαμηλής τάσης νευρώνες μας, αυτό το στάδιο θα μπορούσε να εξαλειφθεί πλήρως.

Το «μυστικό συστατικό» της επιτυχίας βρίσκεται σε έναν ασυνήθιστο μικροοργανισμό: το βακτήριο Geobacter sulfurreducens. Πρόκειται για ένα είδος που έχει την ικανότητα να παράγει ηλεκτρισμό, μέσω νανοσυρμάτων πρωτεΐνης που το ίδιο δημιουργεί. Οι ερευνητές αξιοποίησαν αυτά τα βιολογικά νανοσύρματα για να δημιουργήσουν ένα νευρωνικό κύκλωμα που συνδυάζει την αποδοτικότητα της φύσης με την ακρίβεια της μηχανικής.

Η ομάδα του Yao έχει ήδη χρησιμοποιήσει αυτά τα νανοσύρματα σε μια σειρά από πρωτοποριακές εφαρμογές: από βιοφιλμ που παράγουν ρεύμα από τον ιδρώτα του ανθρώπινου σώματος, μέχρι ηλεκτρονικές «μύτες» που ανιχνεύουν ασθένειες και συσκευές που μπορούν να συλλέγουν ενέργεια από τον αέρα. Με τη νέα αυτή ανακάλυψη, το πεδίο των βιοηλεκτρονικών διευρύνεται ακόμη περισσότερο, προτείνοντας μια τεχνολογία που θα μπορούσε να λειτουργεί χωρίς ενεργοβόρα ενισχυτικά κυκλώματα ή μπαταρίες.

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η ανακάλυψη αυτή μπορεί να οδηγήσει σε έναν νέο τύπο «ζωντανών» υπολογιστών, όπου οι ψηφιακές διεργασίες θα μιμούνται τη βιολογική λειτουργία του εγκεφάλου, επιτυγχάνοντας ανώτερη ενεργειακή απόδοση. Μελλοντικές εφαρμογές θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν αισθητήρες που λειτουργούν με τη θερμότητα ή τον ιδρώτα του σώματος, ή συσκευές που τροφοδοτούνται από την υγρασία του αέρα.

[via]