Sztuczne neurony zdolne do bezpośredniej komunikacji z żywymi komórkami to już nie science fiction, lecz przełom technologiczny opracowany przez zespół inżynierów z Uniwersytetu Massachusetts w Amherst. Dzięki wykorzystaniu nanodrutów białkowych pozyskanych z bakterii wytwarzających prąd, badaczom udało się stworzyć układy o napięciu zbliżonym do biologicznego. To otwiera drogę do zupełnie nowej generacji implantów neurologicznych, interfejsów mózg–komputer oraz ultraefektywnych komputerów inspirowanych pracą ludzkiego mózgu.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak działają nowe sztuczne neurony i dlaczego ich napięcie umożliwia bezpośrednią komunikację z żywymi komórkami.
- Jakie bakterie umożliwiły stworzenie nanodrutów białkowych i dlaczego są kluczowe dla tej technologii.
- W jaki sposób sztuczne neurony mogą zrewolucjonizować implanty medyczne i interfejsy mózg–komputer.
- Dlaczego ta technologia może być przełomem także dla energooszczędnych komputerów inspirowanych pracą mózgu.
Przełom z Massachusetts: sztuczne neurony, które „rozumie” ciało
Zespół inżynierów z Uniwersytetu Massachusetts w Amherst ogłosił stworzenie przełomowego sztucznego neuronu, który potrafi nie tylko odwzorować funkcje biologiczne komórki nerwowej, ale też bezpośrednio komunikować się z żywymi neuronami. To odkrycie może radykalnie zmienić zarówno projektowanie komputerów inspirowanych biologią, jak i rozwój nowoczesnych implantów medycznych.
Nowa technologia została opisana na łamach prestiżowego czasopisma Nature Communications. Główna autorka badania, Shuai Fu, doktorantka z zakresu elektrotechniki i informatyki, zwraca uwagę na ogromny potencjał biologicznie inspirowanych rozwiązań:
Nasz mózg przetwarza ogromną ilość danych. Jednak jego zużycie energii jest bardzo, bardzo niskie, zwłaszcza w porównaniu z ilością energii elektrycznej potrzebnej do uruchomienia dużego modelu językowego, takiego jak ChatGPT.
Mózg kontra maszyna: energia jako punkt wyjścia
Biologiczne neurony zużywają zaledwie 0,1 wolta, co sprawia, że ludzki mózg działa przy wyjątkowo niskim zapotrzebowaniu na energię – ok. 20 watów. To nieporównywalnie mniej niż potrzeba do działania dużych systemów AI, które mogą wymagać tysięcy razy więcej energii, by osiągnąć porównywalny efekt obliczeniowy.
Do tej pory przeszkodą w stworzeniu funkcjonalnych sztucznych neuronów była właśnie zbyt wysoka energia działania. Jak wyjaśnia Jun Yao, współautor badania i adiunkt inżynierii elektrycznej i komputerowej:
Poprzednie wersje sztucznych neuronów zużywały 10 razy wyższe napięcie – i 100 razy większą moc – niż te, które stworzyliśmy.
Nowe neurony stworzone w UMass Amherst działają przy napięciu 0,1 V – dokładnie takim, jakie wykorzystują neurony w ludzkim ciele. Dzięki temu nie tylko można je bezpośrednio łączyć z komórkami biologicznymi, ale też znacząco ograniczyć zużycie energii całego systemu.
Sekret tkwi w bakteriach: nanodruty białkowe z Geobacter sulfurreducens
Kluczowym elementem tego sukcesu jest zastosowanie nanodrutów białkowych, które zostały pozyskane z niezwykłej bakterii Geobacter sulfurreducens. Ten mikroorganizm znany jest z unikalnej zdolności wytwarzania prądu elektrycznego. Zespół z UMass wykorzystał nanodruty białkowe do zbudowania układu o bardzo niskim poborze mocy, który jednocześnie jest elektrycznie kompatybilny z żywymi komórkami.
To nie pierwsze podejście badaczy do wykorzystania tych struktur. Wcześniej zespół Yao stworzył m.in.:
- biofilm zasilany potem, mogący zasilać elektronikę osobistą,
- „elektroniczny nos” do wykrywania chorób,
- oraz urządzenie czerpiące energię z powietrza.
Tym razem nanodruty stały się podstawą konstrukcyjną sztucznych neuronów, umożliwiając zachowanie niskiego napięcia przy jednoczesnym zachowaniu biologicznej kompatybilności.
Nowa era komputerów i implantów
Odkrycie nie ogranicza się jedynie do teoretycznych zastosowań. Potencjalne korzyści są ogromne – zarówno dla informatyki, jak i medycyny. Jak zauważa Yao:
Obecnie dysponujemy wszelkiego rodzaju przenośnymi systemami czujników elektronicznych, ale są one stosunkowo nieporęczne i nieefektywne. Za każdym razem, gdy wykryją sygnał z naszego ciała, muszą go wzmocnić elektrycznie, aby komputer mógł go przeanalizować.
W nowym rozwiązaniu etap wzmocnienia może być całkowicie pominięty. Sztuczne neurony z UMass Amherst odczytują sygnały wprost z ciała bez konieczności amplifikacji. Otwiera to drogę do całkowicie nowych klas urządzeń medycznych i neuroprotez:
- implantów, które będą mogły bezpośrednio komunikować się z komórkami pacjenta,
- protez neurologicznych naturalnie współpracujących z układem nerwowym,
- interfejsów mózg-komputer, które nie wymagają skomplikowanej elektroniki pośredniczącej.
Wsparcie i przyszłość badań
Badania nad sztucznymi neuronami wspierały m.in. Army Research Office, Narodowa Fundacja Naukowa (NSF), Narodowe Instytuty Zdrowia (NIH) oraz Fundacja Alfreda P. Sloana. Ich wkład pozwolił na rozwój innowacyjnych koncepcji, które jeszcze dekadę temu mogłyby wydawać się futurystyczną wizją.
Dzięki pracy zespołu z Massachusetts zaczynamy realnie wkraczać w erę bioinspirowanych technologii, które mogą połączyć świat biologii z elektroniką – nie tylko symbolicznie, ale też fizycznie.
Bbiologiczna rewolucja technologiczna
Sztuczne neurony stworzone przez inżynierów z UMass Amherst to coś więcej niż postęp w inżynierii materiałowej czy elektronice. To krok milowy w kierunku stworzenia urządzeń, które w sposób naturalny i bezpośredni integrują się z ludzkim ciałem. Jeśli technologia ta zostanie rozwinięta, możemy spodziewać się zupełnie nowego pokolenia medycznych implantów, neuroprotez oraz komputerów, które przetwarzają informacje tak, jak robi to mózg – ale bez potrzeby zasilania ogromnymi centrami danych.
👉 Wyniki oraz opis badań znajdziesz pod TYM LINKIEM
Główne wnioski
- Zespół z UMass Amherst stworzył sztuczne neurony, które zużywają jedynie 0,1 V – tyle, ile neurony biologiczne – co umożliwia ich bezpośrednią komunikację z żywymi komórkami.
- Kluczem do sukcesu były nanodruty białkowe pozyskane z bakterii Geobacter sulfurreducens – struktury te umożliwiają niezwykle niskie zużycie energii i zgodność z komórkami ciała.
- Nowa technologia może znaleźć zastosowanie w medycynie (implantu neurologiczne, interfejsy BCI) oraz w budowie energooszczędnych komputerów inspirowanych pracą mózgu.
- Badania zostały wsparte przez czołowe amerykańskie instytucje, m.in. Army Research Office, NIH i NSF, co świadczy o strategicznym znaczeniu tego kierunku rozwoju.
Źródło:
- University of Massachusetts Amherst
- Nature Communications
