A Massachusettsi Egyetem Amherst kampuszának mérnökei egy olyan mesterséges neuront fejlesztettek ki, amely elektromos aktivitásában rendkívül hasonlít a természetes agysejtek működésére. Ez az innováció a csapat korábbi kutatásaira épül, melyek során fehérje nanovezetékeket alkalmaztak, amelyeket elektromosságot termelő baktériumokból állítottak elő. Az új megközelítés alapjaiban változtathatja meg a számítástechnika világát, hiszen lehetővé teheti olyan számítógépek létrehozását, amelyek élő rendszerek hatékonyságával működnek, sőt akár közvetlenül is kapcsolódhatnak biológiai szövetekhez.
Az emberi agy és a mesterséges neuronok közötti különbség
„Az agyunk hatalmas mennyiségű adatot dolgoz fel,” mondja Shuai Fu, az UMass Amherst villamosmérnöki és számítástechnikai szakán végzős hallgató, a Nature Communications folyóiratban megjelent tanulmány vezető szerzője. „Ugyanakkor az energiafelhasználása rendkívül alacsony, különösen összehasonlítva egy nagy nyelvi modell, például a ChatGPT működtetéséhez szükséges elektromos árammal.”
Az emberi test elektromos hatékonysága lenyűgöző: több mint 100-szor jobb, mint egy átlagos számítógép áramköreinek hatásfoka. Az agy több milliárd neuront tartalmaz – ezek speciális sejtek, amelyek elektromos jeleket küldenek és fogadnak a testben. Egy egyszerű feladat, például egy történet megírása mindössze körülbelül 20 watt energiát igényel az emberi agytól, míg egy nagy nyelvi modell ugyanennek elvégzéséhez akár több mint egy megawattot is felhasználhat.
A mesterséges neuronok fejlesztésének kihívásai
A mérnökök régóta törekednek arra, hogy mesterséges neuronokat alkossanak az energiatakarékosabb számítástechnika érdekében. Az egyik legnagyobb akadály azonban az volt, hogy csökkentsék a mesterséges neuronok feszültségszintjét a biológiai szintekhez hasonló értékre.
„A korábbi mesterséges neuronok tízszer nagyobb feszültséget és százszor több energiát használtak fel, mint amit mi most létrehoztunk,” magyarázza Jun Yao, az UMass Amherst villamosmérnöki és számítástechnikai tanszékének docense és a tanulmány vezető kutatója. „Ezért ezek a korábbi modellek sokkal kevésbé voltak hatékonyak, és nem tudtak közvetlenül kapcsolódni az élő neuronokhoz, amelyek érzékenyek a magasabb feszültségű jelekre.”
„Az általunk fejlesztett neuronok mindössze 0,1 voltot regisztrálnak, ami nagyjából megegyezik a testünkben található neuronok feszültségével,” teszi hozzá Yao.
Széles körű alkalmazási lehetőségek
Fu és Yao új mesterséges neuronjának számos alkalmazási területe van. Ezek között szerepelhetnek bioinspirált számítógépek tervezése sokkal energiatakarékosabb elvek alapján, valamint olyan elektronikus eszközök fejlesztése, amelyek közvetlenül kommunikálhatnak testünkkel.
„Jelenleg rengeteg hordható elektronikus érzékelőrendszer létezik,” mondja Yao. „Ezek azonban viszonylag nehézkesek és energiaigényesek. Minden alkalommal, amikor jelet érzékelnek a testünkből, azt elektromosan felerősítik ahhoz, hogy egy számítógép elemezni tudja. Ez a felerősítés növeli az energiafogyasztást és bonyolultabbá teszi az áramkört. Az általunk fejlesztett alacsony feszültségű neuronokkal készült érzékelők azonban felerősítés nélkül is képesek lennének működni.”
A titok: Geobacter sulfurreducens baktérium fehérje nanovezetékei
A csapat új alacsony energiaigényű neuronjának titkos összetevője egy fehérje nanovezeték, amelyet a különleges Geobacter sulfurreducens baktériumból szintetizáltak. Ez a baktérium különleges képességekkel rendelkezik: képes elektromosságot termelni.
Yao és kollégái már számos rendkívül hatékony eszközt terveztek e baktérium fehérje nanovezetékeinek felhasználásával:
- Egy biofilm, amely izzadtság által termelt energiával képes személyes elektronikai eszközöket működtetni;
- Egy „elektronikus orr”, amely képes betegségeket kiszagolni;
- Egy olyan eszköz, amely gyakorlatilag bármiből elkészíthető és képes elektromosságot gyűjteni még a levegőből is.
Támogatók és finanszírozás
A kutatást jelentős támogatásban részesítették többek között az Amerikai Hadsereg Kutatóirodája (Army Research Office), az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Alapja (National Science Foundation), az Egészségügyi Intézetek (National Institutes of Health) és az Alfred P. Sloan Alapítvány.
Összegzés
Az UMass Amherst mérnökeinek fejlesztése áttörést jelenthet a mesterséges intelligencia és a számítástechnika jövőjében. A természetes agysejtekhez hasonlóan működő mesterséges neuronok nemcsak jelentős energia-megtakarítást tesznek lehetővé, hanem új utakat nyithatnak meg az emberi testtel való közvetlen kommunikációban is. Ezáltal közelebb kerülhetünk ahhoz a vízióhoz, hogy élő rendszerek hatékonyságával működő számítógépeket hozzunk létre – egy olyan világot teremtve, ahol technológia és biológia szorosabban összefonódik.
Forrás: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251013040335.htm