UCLA-forskarna James Gimzewski och Adam Stieg ingår i ett internationellt forskarlag som har tagit ett betydande steg mot målet att skapa tänkande maskiner.

Leds av forskare vid Japans nationella institut för materialvetenskap, teamet skapade en experimentell enhet som uppvisade egenskaper som är analoga med vissa beteenden i hjärnan - inlärning, memorering, glömmer, vakenhet och sömn. Pappret, publiceras i Vetenskapliga rapporter , beskriver ett nätverk i ett tillstånd av kontinuerligt flöde.

"Det här är ett system mellan ordning och kaos, på gränsen till kaos, sade Gimzewski, en UCLA framstående professor i kemi och biokemi, medlem av California NanoSystems Institute vid UCLA och medförfattare till studien. "Sättet som enheten ständigt utvecklas och skiftar härmar den mänskliga hjärnan. Den kan komma med olika typer av beteendemönster som inte upprepar sig."

Forskningen är ett tidigt steg på en väg som så småningom kan leda till datorer som fysiskt och funktionellt liknar hjärnan – maskiner som kan vara kapabla att lösa problem som moderna datorer kämpar med, och det kan kräva mycket mindre ström än vad dagens datorer gör.

Enheten som forskarna studerade är gjord av en härva av silver nanotrådar - med en genomsnittlig diameter på bara 360 nanometer. (En nanometer är en miljarddels meter.) Nanotrådarna belades med en isolerande polymer som var cirka 1 nanometer tjock. Övergripande, själva enheten mätte cirka 10 kvadratmillimeter – så liten att det skulle ta 25 av dem för att täcka en krona.

Tillåts slumpmässigt självmontera på en silikonwafer, nanotrådarna bildade mycket sammanlänkade strukturer som är anmärkningsvärt lika de som bildar neocortex, den del av hjärnan som är involverad med högre funktioner som språk, perception och kognition.

En egenskap som skiljer nanotrådsnätverket från konventionella elektroniska kretsar är att elektroner som strömmar genom dem gör att nätverkets fysiska konfiguration förändras. I studien, elektrisk ström fick silveratomer att migrera inifrån polymerbeläggningen och bilda anslutningar där två nanotrådar överlappar varandra. Systemet hade cirka 10 miljoner av dessa korsningar, som är analoga med synapserna där hjärnceller ansluter och kommunicerar.

Forskarna fäste två elektroder till det hjärnliknande nätet för att profilera hur nätverket fungerade. De observerade "framväxande beteende, " vilket betyder att nätverket visade egenskaper som en helhet som inte kunde tillskrivas de enskilda delarna som utgör det. Detta är en annan egenskap som gör att nätverket liknar hjärnan och skiljer den från konventionella datorer.

Efter att ström flödade genom nätverket, anslutningarna mellan nanotrådar kvarstod i så mycket som en minut i vissa fall, som liknade processen för inlärning och memorering i hjärnan. Andra tider, anslutningarna stängdes av abrupt efter att laddningen avslutades, efterliknar hjärnans process att glömma.

I andra experiment, forskargruppen fann att med mindre kraft som flödar in, enheten uppvisade ett beteende som motsvarar vad neuroforskare ser när de använder funktionell MR-skanning för att ta bilder av en sovande persons hjärna. Med mer kraft, nanotrådnätverkets beteende motsvarade det för den vakna hjärnan.

Tidningen är den senaste i en serie publikationer som undersöker nanotrådsnätverk som ett hjärninspirerat system, ett forskningsområde som Gimzewski hjälpte pionjären tillsammans med Stieg, en UCLA-forskare och en biträdande direktör för CNSI.

"Vårt tillvägagångssätt kan vara användbart för att generera nya typer av hårdvara som både är energieffektiva och kan bearbeta komplexa datauppsättningar som utmanar gränserna för moderna datorer, sa Stieg, en medförfattare till studien.

Den borderline-kaotiska aktiviteten hos nanotrådnätverket liknar inte bara signalering i hjärnan utan också andra naturliga system som vädermönster. Det kan betyda att med vidareutveckling, framtida versioner av enheten kan hjälpa till att modellera sådana komplexa system.

I andra experiment, Gimzewski och Stieg har redan lockat en silver nanotrådsenhet för att framgångsrikt förutsäga statistiska trender i Los Angeles trafikmönster baserat på tidigare års trafikdata.

På grund av deras likheter med hjärnans inre funktioner, framtida enheter baserade på nanotrådsteknik kan också visa energieffektivitet som hjärnans egen bearbetning. Den mänskliga hjärnan arbetar med effekt som ungefär motsvarar vad som används av en 20-watts glödlampa. Däremot datorservrar där arbetsintensiva uppgifter äger rum – från utbildning för maskininlärning till att utföra internetsökningar – kan använda motsvarande energi för många hushåll, med åtföljande koldioxidavtryck.

"I våra studier, vi har ett bredare uppdrag än att bara programmera om befintliga datorer, "Gimzewski sa. "Vår vision är ett system som så småningom kommer att kunna hantera uppgifter som ligger närmare hur människan fungerar."