För bara 10 år sedan, forskare som arbetade med vad de hoppades skulle öppna en ny gräns för neuromorfa datorer kunde bara drömma om en enhet med hjälp av miniatyrverktyg som kallas memristors som skulle fungera/fungera som riktiga hjärnsynapser.

Men nu har ett team vid University of Massachusetts Amherst upptäckt, medan de är på väg att bättre förstå proteinnanotrådar, hur man använder dessa biologiska, elektriskt ledande filament för att göra en neuromorf memristor, eller "minnestransistor, "enhet. Den körs extremt effektivt på mycket låg effekt, som hjärnor gör, att bära signaler mellan neuroner. Detaljer finns i Naturkommunikation .

Som första författare Tianda Fu, en doktorsexamen kandidat i el- och datateknik, förklarar, ett av de största hindren för neuromorf datorbearbetning, och en som fick det att verka ouppnåeligt, är att de flesta konventionella datorer fungerar med över 1 volt, medan hjärnan skickar signaler som kallas åtgärdspotentialer mellan neuroner på cirka 80 millivolter - många gånger lägre. I dag, ett decennium efter tidiga experiment, memristorspänning har uppnåtts i intervallet som liknar konventionell dator, men att komma under det verkade osannolikt, han lägger till.

Fu rapporterar att med hjälp av proteinnanotrådar som utvecklats vid UMass Amherst från bakterien Geobacter av mikrobiologen och medförfattaren Derek Lovely, han har nu genomfört experiment där memristors har nått neurologiska spänningar. Dessa tester utfördes i laboratoriet för forskare på el- och datateknik och medförfattare Jun Yao.

Yao säger, "Det här är första gången som en enhet kan fungera på samma spänningsnivå som hjärnan. Folk vågade nog inte ens hoppas att vi kunde skapa en enhet som är lika energieffektiv som de biologiska motsvarigheterna i en hjärna, men nu har vi realistiska bevis på datormöjligheter med extremt låg effekt. Det är ett konceptgenombrott och vi tror att det kommer att orsaka mycket utforskning inom elektronik som fungerar i den biologiska spänningsregimen. "

Lovely påpekar att Geobacters elektriskt ledande protein -nanotrådar erbjuder många fördelar jämfört med dyra kisel -nanotrådar, som kräver giftiga kemikalier och högenergiprocesser för att producera. Protein nanotrådar är också mer stabila i vatten eller kroppsvätskor, en viktig egenskap för biomedicinska tillämpningar. För detta arbete, forskarna skär av nanotrådar från bakterierna så att endast det konduktiva proteinet används, han lägger till.

Fu säger att han och Yao hade bestämt sig för att sätta de renade nanotrådarna genom sina steg, för att se vad de kan vid olika spänningar, till exempel. De experimenterade med ett pulserande på-av-mönster av positiv-negativ laddning skickad genom en liten metalltråd i en memristor, som skapar en elektrisk strömbrytare.

De använde en metalltråd eftersom proteinnanotrådar underlättar metallreduktion, förändrar metalljonreaktivitet och elektronöverföringsegenskaper. Lovely säger att denna mikrobiella förmåga inte är förvånande, eftersom vilda bakteriella nanotrådar andas och kemiskt reducerar metaller för att få sin energi som vi andas syre.

När på-av-pulserna skapar förändringar i metalltrådarna, ny förgrening och anslutningar skapas i den lilla enheten, som är 100 gånger mindre än diametern på ett människohår, Yao förklarar. Det skapar en effekt som liknar inlärning - nya kopplingar - i en riktig hjärna. Han lägger till, "Du kan modulera konduktiviteten, eller plasticiteten i nanotråd-memristorsynapsen så att den kan emulera biologiska komponenter för hjärninspirerad dator. Jämfört med en vanlig dator, den här enheten har en inlärningsförmåga som inte är mjukvarubaserad. "

Fu påminner om, "I de första experimenten vi gjorde, nanotrådsprestandan var inte tillfredsställande, men det räckte för oss att fortsätta. ”I över två år, han såg förbättring tills en ödesdigra dag då hans och Yaos ögon nitades av spänningsmätningar som visas på en datorskärm.

"Jag kommer ihåg den dagen vi såg den här fantastiska prestandan. Vi såg datorn när strömspänningen mäts. Den fortsatte att gå ner och ner och vi sa till varandra, 'Wow, det fungerar.' Det var mycket överraskande och mycket uppmuntrande. "

Fu, Yao, Lovely och kollegor planerar att följa upp denna upptäckt med mer forskning om mekanismer, och för att "helt utforska kemin, biologi och elektronik "av proteinnanotrådar i memristors, Fu säger, plus möjliga applikationer, som kan inkludera en enhet för att övervaka pulsen, till exempel. Yao tillägger, "Detta ger hopp om möjligheten att denna enhet en dag kan prata med verkliga neuroner i biologiska system."