Инженеры из Университета Массачусетса в Амхерсте создали искусственный нейрон, электрическая активность которого максимально приближена к работе настоящих клеток мозга. Эта разработка основана на предыдущих исследованиях команды, где применялись белковые нанонити, полученные из бактерий, способных вырабатывать электричество. Новый подход открывает перспективы для создания компьютеров, работающих с эффективностью, сравнимой с живыми системами, а также для прямого взаимодействия электронных устройств с биологическими тканями.

Эффективность мозга и вызовы для технологий

По словам Шуая Фу, аспиранта кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Массачусетса и ведущего автора исследования, опубликованного в Nature Communications, человеческий мозг способен обрабатывать огромные объемы информации при крайне низком энергопотреблении. Для сравнения, современные большие языковые модели, такие как ChatGPT, требуют значительно больше электроэнергии для выполнения аналогичных задач. Мозг человека расходует всего около 20 ватт энергии для написания рассказа, тогда как искусственный интеллект может потреблять более мегаватта для той же задачи. Это объясняется тем, что человеческое тело и мозг работают с поразительной электрической эффективностью — более чем в 100 раз выше, чем у традиционных компьютерных схем.

В мозге содержатся миллиарды нейронов — специализированных клеток, которые передают и принимают электрические сигналы по всему телу. Инженеры давно стремятся создать искусственные нейроны для более энергоэффективных вычислений, однако снижение их напряжения до биологических уровней оставалось серьезной проблемой. Как отмечает доцент Джун Яо, предыдущие версии искусственных нейронов работали при напряжении в 10 раз выше и потребляли в 100 раз больше энергии, чем новая разработка. Это делало их менее эффективными и не позволяло напрямую взаимодействовать с живыми нейронами, чувствительными к сильным электрическим сигналам. Новый искусственный нейрон функционирует при напряжении всего 0,1 вольта — примерно столько же, сколько и нейроны в человеческом теле.

Потенциальные применения и преимущества

Разработка Фу и Яо открывает широкий спектр возможностей — от создания компьютеров, вдохновленных биологией и обладающих высокой эффективностью, до электронных устройств, способных напрямую взаимодействовать с человеческим телом. Современные носимые электронные системы для мониторинга довольно громоздки и неэффективны: каждый раз, когда они фиксируют сигнал от тела, его необходимо усиливать для анализа компьютером, что увеличивает энергопотребление и усложняет схему. Датчики, построенные на новых низковольтных нейронах, могут обходиться без этапа усиления, что делает их более простыми и экономичными.

Роль белковых нанонитей

Ключевым элементом нового энергоэффективного нейрона стала белковая нанонить, синтезированная из уникальных бактерий Geobacter sulfurreducens, которые также способны производить электричество. Яо и его коллеги уже использовали такие нанонити для создания ряда эффективных устройств: биопленки, работающей на поту и способной питать персональную электронику; «электронного носа» для выявления болезней; а также устройства, способного извлекать электричество прямо из воздуха.

Поддержка исследования

Работа была поддержана Армейским исследовательским управлением, Национальным научным фондом США, Национальными институтами здравоохранения и Фондом Альфреда П. Слоуна.