ليست من هذا العالم: ابتكر العلماء الدماغ الاصطناعي مصنوعة من الفضة و أجبرته على تعلم

صغيرة-نظمت شبكة الاصطناعي نقاط الاشتباك العصبي يتذكر تجاربه و هي قادرة على حل المهام البسيطة. المبدعين الأمل في أن يوما ما على أساس هذا الدماغ الاصطناعي سيتم إنشاء الجهاز كفاءته ليست أقل شأنا من قوة الحوسبة من الدماغ. في العام العقول ، إذا قمت بحذف تحقيقها في التفكير وحل المشكلات ، هو الكمال في كفاءتها. إلى عمل الدماغ يحتاج إلى الكثير من الطاقة كما أنه يمتص 20 وات لمبة ضوء ساطع. واحد من أقوى و أسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم ، ك الكمبيوتر في كوبي ، اليابان ، يستهلك 9.89 ميغاواط من الطاقة بقدر 10 000 المنازل. ولكن في عام 2013 ، حتى مع هذه الطاقة, السيارة استغرق 40 دقيقة لمحاكاة 1% من نشاط الدماغ البشري في جميع أنحاء 1 ثانية.

و المهندسين باحثون من كاليفورنيا NanoSystems معهد في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس نأمل أن تتنافس مع الحوسبة الطاقة كفاءة قدرات الدماغ ، وذلك بفضل الأنظمة التي تعكس بنية الدماغ. لأنها تخلق الجهاز ، وربما الأول من نوعه ، الذي هو "مستوحاة من الدماغ لإنتاج الخصائص التي تسمح الدماغ على فعل ما يفعله" قال آدم ستيغ باحث و أستاذ مشارك في المعهد ، مما يؤدي المشروع جنبا إلى جنب مع جيم Gimzewski ، أستاذ الكيمياء في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس.

الجهاز ليست مثل العاديين أجهزة الكمبيوتر التي تستند إلى الأسلاك الصغيرة مطبوع على رقاقة السيليكون في العليا المخططات. الحالي نسخة تجريبية تتمثل في شبكة من 2 × 2 مم من أسلاك الفضة ، متصلة بواسطة الاصطناعي نقاط الاشتباك العصبي. على عكس السيليكون الدوائر مع الدقة الهندسية, هذا الجهاز لا بد بأنها "مختلطة جيدا لوحة من السباغيتي" ، ويقول ستيغ. في حين غرامة هيكل المنظمة من عشوائية الكيميائية و العمليات الكهربائية ، وليس هندسيا بطريقة متأنية.

تعقيد هذه الفضة شبكة يشبه الدماغ. لكل سنتيمتر مربع من الشبكة قد مليار الاصطناعي نقاط الاشتباك العصبي ، وهو عدة أوامر من حجم مختلفة من الدماغ. النشاط الكهربائي من الشبكة يظهر أيضا خاصية فريدة من نوعها إلى الأنظمة المعقدة مثل الدماغ: "الحرجة" ، حالة بين النظام والفوضى ، مشيرا إلى أقصى قدر من الكفاءة.

هذه الشبكة للغاية أسلاك متشابكة قد تبدو فوضوية و عشوائية ، ولكن هيكلها سلوك يشبه سلوك الخلايا العصبية في الدماغ. العلماء من NanoSystems تطوير أنها جهاز الدماغ على التعلم و الحوسبة

وعلاوة على ذلك ، فإن التجارب الأولية تظهر أن هذا neuromorphic (أي مماثلة إلى الدماغ) الفضة أسلاك شبكة كبيرة من القدرات الوظيفية. أنها يمكن أن تؤدي بسيط التعلم والعمليات المنطقية. فإنه يمكن تنظيف إشارة من الضوضاء غير المرغوب فيها ، و هذا هو المهم القدرة على التعرف على الصوت و مهام مماثلة أن يسبب مشاكل أجهزة الكمبيوتر التقليدية. و وجودها يثبت مبدأ أن يوم واحد وسوف يكون من الممكن إنشاء الأجهزة مع كفاءة الطاقة على مقربة من كفاءة الدماغ.

مثيرة للاهتمام لا سيما تلك الفوائد تبدو في الخلفية تقترب من الحد من التصغير و كفاءة السيليكون المعالجات. "قانون مور ميت, أشباه الموصلات لم يعد يمكن أن تصبح أصغر حجما ، يبدأ الناس وائل قائلا: ماذا علينا أن نفعل" يقول اليكس نوجنت ، الرئيس التنفيذي Knowm المشاركة في neuromorphic الحوسبة ، وليس جزءا من المشروع من جامعة كاليفورنيا. "أنا أحب هذه الفكرة ، هذا الاتجاه. المشتركة الحسابية منصة مليار مرات أقل كفاءة."

مفاتيح مثل نقاط الاشتباك العصبي

عندما Gimzewski بدأ العمل على مشروعه مع الفضة مش قبل 10 سنوات كان مهتما لا energoeffektivnost. كان يشعر بالملل. باستخدام مجهر المسح النفقي لدراسة الالكترونيات في المقياس الذري في غضون 20 عاما ، وأخيرا قال: "أنا تعبت من الكمال و التحكم الدقيق و متعب قليلا من الاختزال".

الاختزالية ، فمن الضروري أن نفترض ، هو أساس جميع المعالجات الحديثة, عندما الظواهر المعقدة المخطط يمكن تفسير استخدام بسيط الأحداث العناصر.

في عام 2007 عرضت عليه أن الدراسة الفردية الذرية مفاتيح (أو مفاتيح), وضعت من قبل مجموعة من ماساكازو Aono المركز الدولي للمواد nanoarchitectonics في تسوكوبا في اليابان. هذه مفاتيح تحتوي على نفس العنصر الذي البقع ملعقة فضية الأسود عندما يتعامل مع البيض: كبريتيد الحديد ، تقع في شطيرة بين المعادن الصلبة و الفضة.

امدادات التيار الكهربائي إلى جهاز يدفع موجبة أيونات الفضة في الفضة كبريتيد الفضة طبقة من الكاثود ، حيث يتم استعادة الفضي المعدني. الذرية خيوط الفضة تنمو في نهاية المطاف إلى إغلاق الفجوة بين الفضي المعدني الجانبين. تشغيل التبديل ، يمكن للتيار. عكس الحالي له تأثير معاكس: الفضة الجسور تخفيض التبديل إيقاف تشغيل.

ومع ذلك ، بعد فترة وجيزة من تطوير التبديل مجموعة Aono بدأت في مراقبة سلوك غير عادي. وكلما كنت تستخدم التبديل ، فمن الأسهل المدرجة. إذا لم يكن قد تم استخدامها ، سوف تتحول في نهاية المطاف من تلقاء نفسها. في الواقع ، فإن التبديل يتذكر لهالتاريخ. Aono وزملاؤه أيضا أن مفاتيح يبدو أن تتفاعل مع بعضها البعض ، وبالتالي فإن إدراج مفتاح واحد في بعض الأحيان منع أو إيقاف الآخرين في مكان قريب.

أكثر من مجموعة Aono أراد بناء هذه خصائص غريبة خارج التبديل. ولكن Gimzewski و ستيغ (الذي حصل على شهادة الدكتوراه في المجموعة Gimzewski) تذكرت المشابك تبديل بين الخلايا العصبية في الدماغ البشري أن يتغير أيضا علاقات مع الحصول على الخبرة والتفاعل. وهكذا ولدت فكرة. "كنا نظن, لماذا لا نحاول وضع كل ذلك في بنية تشبه لحاء دماغ الثدييات ، ودراسة ذلك؟" ، يقول ستيغ.

إنشاء هذه البنية المعقدة بالتأكيد صعبة ، ولكن ستيغ و Adrius, Avizinis ، الذي كان قد انضم إلى المجموعة كما طالب دراسات عليا ، وضعت البروتوكول. صب نترات الفضة على شريحة صغيرة من النحاس المجال ، فإنها يمكن أن تسبب نمو مجهريا فضية رقيقة الأسلاك المتقاطعة. ثم أنها يمكن أن تمر من خلال هذا مش الكبريت الغاز إلى خلق طبقة من كبريتيد الفضة بين الفضة أسلاك, كما في النص الأصلي النووية الأوامر التبديل Aono.

- نظمت الحرجية

عندما Gimzewski و ستيغ أخبر الآخرين عن المشروع الخاص بك, لا أحد يعتقد أنه من عمل. البعض قال أن الجهاز سوف تظهر نوع واحد من ساكنة النشاط سوف تستقر ، يقول ستيغ. واقترح آخرون عكس ذلك: "قالوا هذا التحول سوف يكون المتتالية و الهيكل كله ببساطة حرق" يقول Gimzewski.

ولكن الجهاز لا يذوب. على العكس من ذلك ، عندما Gimzewski و ستيغ شاهدته من خلال كاميرا الأشعة تحت الحمراء ، الإدخال الحالي المستمر إلى تغيير الطريقة التي تنتقل عن طريق الجهاز — تثبت أن النشاط غير مترجمة ، بل وزعت في الدماغ.

واحدة تقع اليوم في عام 2010 عندما Avizienis و زميله هنري Sillin زيادة المدخلات الجهد في الجهاز ، وفجأة لاحظت أن الجهد الناتج تبدأ في التأرجح إذا كانت شبكة أسلاك جاء إلى الحياة. "جلسنا وبدا في ذلك, كنا في حالة صدمة" ، ويقول Sillin.

لقد خمنت أنه وجد شيئا للاهتمام. عندما Avizienis تحليل بيانات الرصد لبضعة أيام ، وجد أن الشبكة لا تزال على نفس المستوى من النشاط لفترات قصيرة في كثير من الأحيان في فترة طويلة. في وقت لاحق أنها وجدت أن منطقة صغيرة من النشاط هي أكثر شيوعا من أكبر منها.

"يا الفك إسقاط" يقول Avizienis لأنها علمت من جهازك قوة القانون. قوانين القوى لوصف العلاقة الرياضية في متغير واحد يختلف حسب درجة أخرى. أنها تنطبق على الأنظمة التي هي أكبر وأطول الأحداث هي أقل شيوعا من أصغر وأقصر بيد أن الشائع ليس من قبيل الصدفة. في باك ، الفيزيائي الدانمركي ، المتوفى في عام 2002 كان أول من اقترح قوة القوانين باعتبارها السمة المميزة لجميع أنواع الأنظمة الديناميكية المعقدة التي يمكن تنظيمها في جداول كبيرة ولمسافات طويلة. مثل هذا السلوك ، وقال: يشير إلى أن نظام معقد من أرصدة تعمل في الوسط بين النظام والفوضى ، في حالة من "حساسية" و جميع أجزائه التفاعل والتواصل لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة.

كما تنبأ خزان الطاقة-قانون السلوك لوحظ في الدماغ البشري: في عام 2003 ، ديتمار Plenz ، neurophysiologist والمعاهد الوطنية للصحة ، لوحظ أن مجموعات من الخلايا العصبية تفعيلها من قبل الآخرين الذين بدوره في تنشيط الأخرى ، وغالبا ما اثار النظامية شلالات من التنشيط. النباتات وجدت أن حجم هذه الشلالات تتبع التوزيع حسب قانون السلطة و الدماغ حقا تصرف وبالتالي من أجل تحقيق أقصى قدر من النشاط دون أن تفقد السيطرة على التوزيع.

حقيقة أن الجهاز من جامعة كاليفورنيا قد أظهرت أيضا قوة القانون في العمل, وهذا مهم جدا, يقول Plenz. لأن هذا كما في الدماغ ، وهو توازن دقيق بين تنشيط وتثبيط الذي يحافظ على مجموع أجزائه. نشاط لا تطغى مجموعة ، ولكن لا تنتهي.

في وقت لاحق Gimzewski و ستيغ وجدت تشابه آخر بين الفضة شبكة الدماغ: النوم على الدماغ البشري يدل أقل قصيرة شلالات من التنشيط من الاستيقاظ في الدماغ ، قصيرة تفعيل شبكة الفضة يصبح أقل شيوعا في انخفاض مساهمة الطاقات. في بعض الطريق ، والحد من استهلاك الطاقة في الجهاز قد يسبب أعراض مشابهة حالة النوم على الدماغ البشري.

التعليم والحوسبة

و هنا السؤال: إذا شبكة من أسلاك الفضة لديها خصائص مماثلة لخصائص الدماغ ، سواء كان ذلك على حل المشكلات الحسابية? التجارب الأولية أظهرت أن الجواب هو نعم ، على الرغم من أن الجهاز بالطبع ليس عن بعد مقارنة مع الكمبيوتر العادية.

أولا البرنامج لا. بدلا الباحثون استغلال حقيقة أن الشبكة قد تشوه الإشارة الواردة بطرق مختلفة ، اعتمادا على حيث يمكنك قياس الناتج. وهذا يشير إلى إمكانية استخدام التعرف على الصوت أو الصورة لأن الجهاز يجب أن تكون قادرة على تنظيف صاخبة إشارة الدخل.

هذا يعني أيضا أن الجهاز يمكن أن تستخدم ما يسمى الخزانالحوسبة. لأن إدخال واحد في مبدأ توليد الملايين من استنتاجات مختلفة (وبالتالي الخزان), يمكن للمستخدمين اختيار أو الجمع بين رؤى بحيث كانت النتيجة المطلوب حساب المدخلات. على سبيل المثال ، إذا كنت تعزيز الجهاز في مكانين مختلفين في نفس الوقت, هناك فرصة أن واحدا من الملايين من استنتاجات مختلفة تمثل مجموع اثنين من المدخلات.

ويتمثل التحدي في العثور على حق أفكارا لفك لهم معرفة كيفية ترميز المعلومات أن الشبكة يمكن أن نفهم. ويمكن القيام بذلك من خلال تدريب الجهاز: قبل تشغيل المهمة مع مئات أو آلاف المرات الأولى مع نوع واحد من المدخلات ، ثم مع الآخر ، ومقارنة ما خرج من الأفضل التعامل مع هذه المهمة. "نحن لا برمجة الجهاز, ولكن اختيار أفضل طريقة لتشفير المعلومات بحيث سلوك الشبكة كانت مفيدة ومثيرة للاهتمام" ، ويقول Gimzewski.

في العمل ، والتي سيتم نشرها قريبا العلماء سوف اقول كيف تدرب شبكة من الأسلاك لأداء العمليات المنطقية البسيطة. في غير منشورة التجارب تدريب الشبكة لحل مشكلة بسيطة في الذاكرة ، والتي عادة ما يسأل الفئران (T-المتاهة). في اختبار T-متاهة الفئران يكافأ إذا لم يجعل الحق بدوره في الاستجابة للضوء. مع نسختها الخاصة للتدريب الشبكة يمكن جعل الحق في الاختيار في 94% من الحالات.

حتى الآن, هذه النتائج ليست أكثر من مجرد إثبات المبدأ ، يقول نوجنت. "الجرذ الصغير ، مما يجعل القرار في T-المتاهة ، أبدا النهج أي شيء من مجال تعلم الآلة التي يمكن تقييم النظام" على الكمبيوتر التقليدية ، كما يقول. وقال انه يشك في أن هذا الجهاز يمكن أن تجعل من المفيد رقاقة في السنوات القليلة المقبلة.

ولكن إمكانات ضخمة. لأن الشبكة ، مثل الدماغ لا يشارك المعالجة والذاكرة. أجهزة الكمبيوتر التقليدية من الضروري نقل المعلومات بين المناطق المختلفة التي تتعامل مع هاتين الوظيفتين. "كل هذا الإضافية الاتصالات تراكمت بسبب الأسلاك تحتاج الطاقة" ، ويقول نوجنت. أخذ أجهزة الكمبيوتر التقليدية, قد تضطر إلى إيقاف الطاقة إلى فرنسا ، لمحاكاة كاملة الدماغ البشري في قرار لائق. إذا الأجهزة مثل الفضة الشبكة سوف تكون قادرة على حل المشاكل مع كفاءة خوارزميات تعلم الآلة التي تعمل على أجهزة الكمبيوتر التقليدية ، فإنها يمكن أن تستخدم مليار مرات أقل من الطاقة. ثم أنها صغيرة.

النتائج التي توصل إليها العلماء تدعم أيضا أنه بالنظر إلى الظروف المناسبة, نظام ذكي يمكن أن تتشكل من خلال التنظيم الذاتي ، دون أي قالب أو عملية. سلسلة من الفضة "نشأت عفويا" ، ويقول تود Hylton ، المدير السابق DARPA دعم المشروع في المراحل المبكرة.

Gimzewski يعتقد أن شبكة من أسلاك الفضة أو الأجهزة المماثلة قد تكون أفضل من أجهزة الكمبيوتر التقليدية في التنبؤ العمليات المعقدة. أجهزة الكمبيوتر التقليدية نموذج العالم مع المعادلات التي غالبا ما تكون فقط حوالي لوصف الظواهر المعقدة. Neuromorphic تبديل الشبكة على المستوى الذري من الداخلية الخاصة به تعقيد الظواهر ذلك النموذج. كما أنها تفعل ذلك بسرعة — حالة الشبكة يمكن أن تختلف مع سرعة تصل إلى عشرات الآلاف من التغييرات في الثانية. "نحن نستخدم نظام معقد لفهم الظواهر المعقدة" ، ويقول Gimzewski.

في بداية هذا العام ، الجمعية الكيميائية الأمريكية الاجتماع في سان فرانسيسكو Gimzewski, ستيغ وزملائهم عرض نتائج التجربة التي تتغذى على الجهاز لمدة الثلاث سنوات الأولى من ست سنوات من البيانات عن حركة المرور على الطرق في لوس أنجلوس ، في شكل سلسلة من النبضات مشيرا إلى عدد من السيارات المارة في الساعة. من خلال مئات الساعات من التدريب الختام وأخيرا توقع إحصائي الاتجاه في النصف الثاني من مجموعة البيانات بشكل جيد جدا ، على الرغم من أن الجهاز لم تظهر ذلك.

ربما يوما المزاح Gimzewski ، فإنه يستخدم الشبكة للتنبؤ سوق الأوراق المالية.