Искусственный интеллект — тренд 2010 года

// // Исследования и разработки //

Уходящий год оказался не менее плодотворным, чем предыдущие, на различные открытия в области нанотехнологий. Наиболее интересными исследованиями в этом году, по мнению «Нано Дайджеста» стали открытия в сфере искусственного интеллекта. В 2010 году ученые, наконец, достигли серьезного прогресса в создании «искусственного мозга».

Любители научной фантастики не раз встречали в романах описание искусственного мозга, но не все знают, что ученые, работающие в области нейроморфной инженерии уже сейчас добились определенного прогресса в своих изысканиях. Главным в исследованиях, посвященных созданию искусственной нервной ткани, имитирующей ткань мозга, ученые считают разработку искусственных синапсов.

По мнению ученых, выполнять их функцию могут мемристоры - пассивные элементы в микроэлектронике, способные изменять свое сопротивление в зависимости от текущего по нему тока. Мозг живого существа представляет сеть клеток-нейронов, соединенных отростками-аксонами через контакты-синапсы. Говоря упрощенно, в процессе обучения некоторые синапсы формируют определенную сеть, в то время как другие остаются неактивными и не проводят сигналы. Мемристор может выполнять ту же функцию – он может уже в процессе работы стать каналом или сопротивлением под воздействием внешнего стимула. Ученые пошли дальше рассуждений и создали небольшую сеть из наноразмерных кремниевых мемристоров, которые представляют две расположенные одна над другой сетки проводов в аморфном серебряном слое, причем содержание серебра при одном слое выше, чем при другом. При подаче напряжения ионы серебра начинают течь к нижнему слою и увеличивают электропроводность. Таким образом, ученые получили возможность полностью контролировать основной параметр мемристора и, соответственно, сроить на их основе сеть, которая сможет имитировать работу живого мозга.

В то же время следует отметить два важных аспекта, отличающих работу мозга от работы микросхемы. Во-первых, компьютеры могут выполнять вычисления с фантастической скоростью - в настоящее время самые мощные машины могут выполнять до 1000 триллионов операций в секунду, однако за единицу времени может выполняться только одна операция. Нейроны мозга выполняют лишь 1000 операций в секунду, однако мозг способен просчитывать миллионы операций одновременно и выполнять многие задачи быстрее и эффективней компьютера. Во-вторых, нейронная сеть постоянно модифицируется, а компьютер не способен к этому.

Над созданием искусственной самообучающейся, то есть в нашем случае – меняющей схему своих цепей структуры бьются ученые всего мира. Весной этого года исследователи из Японии и США выступили с докладом, в котором рассказали о своих успехах в области создания органической молекулярной схемы, способной к саморазвитию. По словам ученых, созданный на основе их разработки компьютер может обрабатывать не одну, а свыше трехсот операций одновременно. Такой компьютер действует по совершенно новым алгоритмам и может решать сложные задачи, связанные с прогнозированием различных процессов.

Производители микросхем активно осваивают технологию 22 нм, а ученые в лабораториях заявляют, что при таких размерах элементы схем можно интегрировать в живую клетку. Средние размеры клетки человека – около 10 кв. микронов, так что в нее теоретически можно встроить до 2000 транзисторов, а это сопоставимо с параметрами процессоров первых персональных компьютеров. Ученые из Барселоны впервые собрали кремниевый процессор внутри отдельной клетки, используя различные технологии - липофекцию, фагоцитоз, микроинъекции. После операции клетки, в которые поместили процессоры, оставались живыми и, что наиболее важно, ученые смогли запустить процессор и использовать его, как датчик процессов, происходящих внутри клетки. Таким образом, в наших руках оказывается ключ к созданию электронной системы диагностики всех происходящих в живом организме процессов.

Университеты всего мира пишут, что их ученым удалось сделать очередной шаг на пути к разработке технологии массового производства наноустройств. Однако очевидно, что между современными лабораторными технологиями создания сложных трехмерных наноструктур и коммерциализацией лежит пропасть. В настоящее время в основном применяется метод оптической литографии, однако этот процесс сложен и имеет предельный барьер масштаба – 10 нм.

В июне этого года сингапурские ученые продемонстрировали совершенно новый метод создания полевых транзисторов и отдельных нанопроводов: электронный луч сканирует основу и наносит на нее металл или изолятор, создавая электронный элемент. Этот метод позволяет создавать наноустройства более точно, чем метод литографии и при этом он значительно быстрей и дешевле, что позволяет предположить, что именно он может быть взят на вооружение будущими производителями наноэлектроники.

Нанотехнологии нашли применение в такой интересной области исследований как искусственный фотосинтез. Целью ученых является создание материала, который бы использовал энергию света для того, чтобы разлагать воду на кислород и водород, так как последний можно использовать в качестве топлива. Ученые из университета Калифорнии и университета Сага в Японии разработали такой материал, имитирующий структуру листа. Листки материала, в основном состоящего из оксида титана копируют все поры, выступы и канальцы, которые можно видеть на живом листе под микроскопом, а вместо хлорофилла применяется искусственный катализатор. Опыты показали, что такой «искусственный лист» достаточно эффективно разлагает воду на кислород и водород. Перспективы такого направления трудно переоценить, ведь в наших руках может оказаться ключ к почти безграничным запасам экологически чистого топлива.

Группе ученых из США и Японии впервые удалось создать искусственные антитела, успешно функционирующие в живом организме. Созданные из синтезированного полимера с помощью молекулярного импринтинга, наночастицы имеют такой же, как и у настоящих антител, участок на поверхности – рецептор антигена, который настроен на соединение с определенным белком. Таким образом антитела могут отфильтровывать токсические вещества из крови. Чтобы испытать их, ученые вводили раствор этих антител в кровеносную систему мышей, которые ранее получили смертельную дозу вещества меллитина. В результате спасительной инъекции многие мыши выжили, в то время как тестовая группа мышей, не получивших укола с искусственными антителами погибла целиком. В ходе этого опыта также выяснилось, что сами искусственные антитела не распознаются организмом, как инородные и не вызывают иммунного ответа. Это открытие, возможно, станет толчком к разработке препаратов, многократно усиливающих иммунную реакцию организма, а также уникальных систем очистки крови от токсинов.

В качестве последней разработки, приковавшей внимание мы хотм отметить создание устройства, преобразующего механическую энергию тела, и акустические колебания в электричество для подпитки мобильных устройств. В основе нового элемента лежат пьезоэлектрические волокна состоящие из органических нановолокон цирконат-титаната свинца, помещенных на пластинах из силиконового каучука. При сгибании или скручивании пластин вырабатывается электричество, превращая механическую энергию в электрическую. Применение данной технологии безгранично –обувь, вырабатывающая энергию при ходьбе для питания гаджетов, микрохирургические устройства, которые заряжаются от движений, и даже электрокардиостимуляторы, в которых используется новый материал вместо традиционных батарей – вот лишь несколько примеров использования нового наноустройства.

Наибольшим вниманием у ученых пользовались изыскания в области разработки искусственного мозга, компьютерной системы нового типа, имитирующей живую нейронную сеть. В то же время очевидными являются усилия многих лабораторий приблизить теоретические разработки к массовому производству, коммерциализации новых проектов.