De kunstneuron zou probleemloos kunnen communiceren met biologische cellen om wat dan ook te doen (afb: Jun Yao et al./Nature Communications)
Onderzoekers van UMass Amherst hebben kunstmatige neuronen ‘gebouwd’, aangestuurd door bacteriële eiwitnanodraden, die zouden functioneren als een echt hersencellen, maar wel met een extreem lage spanning. Dit zorgt voor een naadloze communicatie met biologische cellen en een drastisch verbeterd energierendement. Deze nieuwe aanpak zou de weg kunnen vrijmaken voor computers die net zo efficiënt werken als levende systemen en mogelijk zelfs rechtstreeks verbinding maken met biologisch weefsel..
“Onze hersenen verwerken een enorme hoeveelheid gegevens”, zegt Shuai Fu, een doctoraalstudent elektrotechniek en computertechnologie aan de Universiteit van Massachusetts Amherst en hoofdauteur van het onderzoeksartikel. “Het stroomverbruik is echter zeer, vooral vergeleken met de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om grote taalmodellen zoals ChatGPT te laten werken.”
Het menselijk lichaam functioneert met een opmerkelijke energie-efficiëntie; meer dan honderd keer hoger dan dan van de (computer)technieken die mensen in elkaar hebben gestoken. Alleen al de hersenen bevatten miljarden neuronen, gespecialiseerde cellen die elektrische signalen door het hele lichaam verzenden en ontvangen. Het uitvoeren van een taak zoals het schrijven van een verhaal verbruikt slechts ongeveer 20 Watt vermogen in het menselijk brein, stelt het persbericht, terwijl een groot taalmodel meer dan een megawatt (1 000 000 Watt) nodig kan hebben om hetzelfde te bereiken.
Er is al lang geprobeerd kunstmatige neuronen te ontwikkelen voor energiezuiniger computergebruik, maar het verlagen van hun spanning tot biologische niveaus vormde een groot obstakel. “Eerdere versies van kunstmatige neuronen gebruikten tien keer meer spanning en honderd keer meer vermogen dan de versie die wij hebben gemaakt”, zegt medeonderzoeker Jun Yao. Hierdoor waren eerdere ontwerpen veel minder efficiënt en konden ze geen directe verbinding maken met levende neuronen, die gevoelig zijn voor sterkere elektrische signalen. “Onze ontwerpen registreren slechts 0,1 volt, wat ongeveer hetzelfde is als de neuronen in ons lichaam”, stelt de onderzoeker.
Toepassingen
Er zouden vele toepassingen zijn voor het kunstneuron van Fu en Yao, van het herontwerpen van alswel elektronische apparaten die rechtstreeks met ons lichaam kunnen communiceren. “We beschikken momenteel over allerlei draagbare elektronische sensorsystemen”, zegt Yao, “maar die zijn relatief onhandig en inefficiënt. Elke keer dat ze een signaal van ons lichaam opvangen, moeten ze dat elektrisch versterken zodat een computer het kan analyseren. Die tussenstap van versterking verhoogt zowel het stroomverbruik als de complexiteit van het circuit. Sensoren die met onze laagspanningsneuronen zijn gebouwd, zouden het helemaal zonder versterking kunnen stellen.”
Het geheime ingrediënt in het nieuwe, energiezuinige neuron van het team is een eiwitnanodraden, gesynthetiseerd door de bacterie Geobacter sulfurreducens, die ook stroom kan produceren. De nanodraden van de bacterie zijn gebruikt om een hele reeks energiezuinige apparaten te ontwerpen zoals een biofilm, aangedreven door zweet, die persoonlijke elektronica van stroom kan voorzien of een elektronische ‘neus’ die ziekten kan opsporen of een apparaat dat zijn energie uit de lucht kan halen.
Bron: Science Daily