ТЕКСТ: АРТёМ ТУНЦОВ
ФОТО: KENTSIMMONS.UWINNIPEG.CA
Весной этого года сотрудники американской компании Hewlett Packard объявили, что им удалось сделать четвёртый пассивный элемент электротехники – мемристор, либо резистор с памятью. Сопротивление этого устройства равномерно изменяется под действием приложенного напряжения, и, таким макаром, у мемристора в каждый момент времени есть собственного рода память о том, что происходило в электронной цепи до этого.
Один из создателей мемристора Дмитрий Струков в интервью «Газете.Ru» тогда сразу увидел, что его детище кое-чем припоминает контакты меж нервными клеточками у живых организмов (физиологи именуют их синапсами). Подразумевается, что людская память определяется конкретно тем, какие нейроны мозга связаны вместе и как сильны эти связи. Притом запоминание есть не что другое, как изменение силы этих связей под действием чувств, порождающих внутримозговые сигналы. Естественно, «изменение силы связей» включает и такие последние случаи, как их разрыв либо возникновение новых.
Струков представил, что в дальнейшем можно будет скопировать эту структуру, построив нейроны из транзисторов, а синапсы заменив мемристорами. Может быть, так получится скопировать не только лишь структуру, да и само сознание, которое и описанию-то поддаётся с трудом?
Пока до таких высот мысли наука не добралась, но трём южноамериканским физикам удалось при помощи мемристора смоделировать «интеллект» слизистой плесени – её способность «учиться», забывать выученное и восстанавливать память при напоминании.
Более того, учёные подозревают, что им известна физиологическая структура, которая играет роль мемристора в плесневой клеточке.
Поведение слизистого грибка Physarum polycephalum не перестаёт поражать учёных уже не 1-ый год. Притом слово «поведение» в применении к этому организму не кажется неприемлимым. За последние 10 лет учёные узнали, что это циклопическое одноклеточное способно изобретать нетривиальные методы преодоления лабиринтов, принудили его разгадывать геометрические головоломки и даже сделали частью простого киборга –бота, часть функций, которого возложили на слизистый гриб. Всего месяц вспять за одну из этих работ её создатели даже получили «Шнобелевскую» премию в области когнитивных наук, но когнитивный диссонанс, порождаемый словосочетанием «интеллект плесени», вдохновляет всё новых и новых исследователей к её предстоящему исследованию.
Слизневик Physarum polycephalum // flickr.com
Сначала года Тэцу Саигуса и Тосиюки Накагаки из японского Института Хоккайдо поведали на страничках престижного журнальчика Physical Reviews Letters, как нашли у слизи возможности к обучению. Если миксамёбе Physarum polycephalum трижды попорядку каждый час на 10 минут снижать температуру и влажность, то ещё через час клеточка на 10 минут замрёт в ожидании неблагоприятных критерий – даже если на самом деле влажность и температура останутся хорошими. С течением времени плесень запамятывает, чему её обучили – ещё через час она уже не остановится, а только малость замедлит ход. Но стоит напомнить ей о неприятностях, снова понизив влажность и температуру, и память вернётся: часом позднее она опять застынет в ожидании худшего.
Наличие у плесени памяти не было совершенно уж внезапным – прежние опыты с лабиринтами демонстрировали, что клеточка на каждой новейшей развилке каким-то образом помнит, в какую сторону поворачивали её отростки на прошлых. Изумила учёных конкретно способность обучаться, забывать и восстанавливать память по напоминанию.
Жители страны восходящего солнца предложили и достаточно ординарную модель, которая, по их воззрению, хорошо разъясняла происходящее. Согласно модели, в огромной клеточке Physarum polycephalum есть большущее огромное количество различных биохимических «маятников» с самыми различными периодами. Есть посреди их и маятники с периодом в один час, причём их много, и какие-то ускоряют движение миксамёбы, какие-то – замедляют его. Но так как они все колеблются в разнобой, то ползёт клеточка с более либо наименее неизменной скоростью.
А вот когда наружные условия изменяются, те процессы, что ускоряли движение в неподходящий момент, отключаются – на их в холоде и сухости тратится очень много ресурсов. Несколько ритмичных «ударов судьбы» – и в организме активными остаются только те маятники, что в подходящий момент замедляют ход. Это состояние некое время сохраняется, и ход слизь замедляет независимо от того, наносит ли судьба удары. А позже или маятники вновь разбалтываются и начинают идти вразнобой, или «отключённые» маятники с неподходящими фазами вновь заводятся – модель Саигусы и Накагаки на этот счёт ничего определенного не утверждала. Но, так либо по другому, через некое время слизь запамятывает «заданный ритм».
Сможете разъяснить, как в рамках этой модели слизь восстанавливает в памяти позабытый ритм, когда ей напомнят?
Вот и трое американских физиков из Калифорнийского института в Сан-Диего и Института штата Южная Каролина не смогли. Юрий Першин, Стивен Лафонтен и Массимилиано Дивентра предложили свою модель, которая парадокс фактически памяти разъясняет еще успешнее.
Модель Першина и его коллег не такая умозрительная. Это электросхема, которую даже можно было бы спаять, не будь один из её частей экзотикой, которую пока не продают в магазинах радиодеталей. В остальном же эта схема проще обычного – в ней всего четыре элемента – резистор, конденсатор, катушка индуктивности и мемристор. Это все четыре известные науке линейные, пассивные и не сводимые друг к другу элементы электронных схем с 2-мя контактами.
Соотношения (полосы) меж 4 базовыми электронными величинами - зарядом (Q), напряжением (U), магнитными потоком (Ф) и электронным током (I). Связи меж величинами обеспечиваются сопротивлением R, индуктивностью L, и ёмкотью C двухконтактных частей. Диагонали квадрата представляют собой интегральные преобразования без коэффициентов (в системе СИ). До сего времени верхняя сторона у квадрата не реализована, но модель элемента, владеющего всеми электротехническими качествами мемристора, была описана в апреле.
Четвёртый элемент памяти и мозга
Мемристор по заказу
ФОТО: RIGHTBRAINAEROBICS.COM
Мемристор, "четвёртый элемент схемотехники", может отыскать применение далековато за пределами последней. Один из создателей устройства, Дмитрий Струков, поведал нам о синтетическом мозге, флэшках объёмом в тыщи гб и трудностях, которые подстерегают учёных и инженеров на пути к реализации этих чудес.
В статье «Памятный символ электросхемы» мы затронули достаточно внезапную для многих читателей сторону развития современных микро- и наноэлектронных технологий.
В то время, как переход от «микро» к «нано» в электронике и оптических информационных сетях от публикации к публикации знаменуется укрощением все новых и новых размерных квантовых эффектов, группа исследователей из лаборатории Hewlett Packard показала как наноразмерные частички позволяют сделать совсем новый тип пассивных частей электросхем - мемристор, применение которого в дальнейшем может в корне поменять принципы схемотехники.
Эта новость вызвала осязаемый отклик посреди наших читателей, потому мы попросили 1-го из создателей работы, Дмитрия Струкова, откомментировать разработку и ответить на несколько дополнительных вопросов. Беседу вёл Валерий Кривецкий.
Дмитрий, поведайте, пожалуйста, малость из истории сотворения мемристора вашей научной группой.
Наши работы носили полностью направленный нрав - мы желали получить пассивный элемент электронных цепей, сопротивление которого находится в зависимости от предыстории, тот мемристор, которого так не хватало Чуа. Это не только лишь достаточно увлекательная базовая задачка, да и возможность сотворения принципно другой логики вычислительных сетей. Вот поэтому мысль, казавшаяся совсем нереализуемой в двадцатом веке вдруг стала вновь увлекательной с приходом нанотехнологий XXI столетия.
А какую роль в вашей работе играют нанотехнологии?
Как было отмечено в нашей статье в Nature, явление передвижения неосновных носителей заряда (в нашем случае кислородных вакансий) под действием электронного напряжения - явление никак не новое. Нам было нужно только вынудить его работать. Здесь-то наноразмеры и сослужили нам огромную службу. Наноразмеры полупроводниковых материалов позволяют вызвать миграцию кислородных вакансий при очень низких напряжениях - 1-2 Вольта, тогда как микро-, и уж тем паче макроскопические размеры полупроводников требуют значительно огромных напряжений, на практике просто недосягаемых.
Фактически, мемристор в осознании Чуа - это устройство, в каком магнитный поток изменяется пропорционально величине прошедшего заряда.
Вычисления проявили, что его сопротивление в данный определенный момент будет зависеть от того, под каким напряжением оно находилось на предыдущем отрезке времени.
Наше устройство нельзя считать реальным мемристором. Это быстрее его многофункциональная модель, потому что действует оно без всякого роли магнитного поля, заместо него у нас работают полупроводники. В то же время зависимость сопротивления от электронной предыстории этого элемента описывается теми же дифференциальными уравнениями, что и у Чуа. Потому мы и допускаем применение наименования «мемристор» для нашего элемента.
Мемристор, «четвёртый элемент схемотехники», может отыскать применение далековато за пределами последней. Один из создателей устройства, Дмитрий Струков, поведал нам о синтетическом мозге, флэшках...
Мемристор – тот «четвёртый элемент схемотехники», реально работающую модель которого учёные смоли сделать только весной сегодняшнего года. Опытнейший эталон нельзя именовать мемристором в уникальном смысле этого слова (в работе эталона никакой роли не играет магнитное поле), но он обладает самым увлекательным свойством гипотетичного мемристора: его сопротивление на этот момент находится в зависимости от того, какое напряжение было приложено к нему в прошедшем. Конкретно это свойство и использовали физики в собственной модели, рассудив, что конкретно «памятливость» мемристора поможет посодействовать разъяснить память живого существа.
Как признался «Газете.Ru» Юрий Першин, закончивший в своё время Харьковский госуниверситет, вопрос о том, как соединить эти четыре элемента, отважился достаточно легко. Понятно, что в схеме должна была находиться какая-то структура, задающая ритм. В любом радиоприборе – ламповом приёмнике вашего дедушки либо WiFi-модуле вашего iPhone'а – таковой структурой, в конечном счёте, будет LC-контур – соединённые вместе катушка индуктивности и конденсатор. От резистора в этой схеме тоже никуда не денешься, так как в реальном мире у всех частей есть сопротивление.
Оставался один вопрос – как подсоединить мемристор? Подключить его поочередно либо параллельно?
Поначалу учёные попробовали последовательное соединение. Они записали уравнения электротехники, определяющие работу таковой схемы, и решили их при помощи компьютера. Но ничего схожего на поведение Physarum polycephalum не вышло.
Тогда учёные присоединили мемристор параллельно одному из частей LC-контура. Какому конкретно – не так и принципиально, так как отменно поведение схемы при всем этом не поменяется. Першин и его коллеги присоединили мемристор к конденсатору. Опять записали уравнения электротехники, сейчас для параллельной схемы, и опять стали их численно решать.
И вдруг всё сложилось. Малость поиграв параметрами схемы, учёные смогли выстроить модель, поразительно чётко описывающую поведение слизистого грибка.
Схема электронной модели "ума" организма Physarum polycephalum (A) и её поведение в случае нерегулярных (B) и постоянных (C) конфигураций наружных критерий; направьте внимание на разрыв временной оси. // Pershin et al. 2008 / arXiv.org
В качестве модели учёные взяли мемристор, описанный спецами Hewlett Packard. У него есть два главных состояния – с высочайшей проводимостью и с низкой. Перевести его из 1-го состояния...
Место наружных критерий для развития миксамёбы – температуры и влажности – в электросхеме заняло приложенное к ней напряжение. Положительное напряжение значит подходящие условия, отрицательное – неблагоприятные. Отклик же системы («скорость, с которой ползёт слизь») в модели Першина не что другое, как напряжение на мемристоре и конденсаторе (при параллельном соединении эти два напряжения равны). Результаты этого моделирования изложены в статье, размещенной в архиве электрических препринтов Корнельского института. На данный момент работа находится на рецензировании в Science.
Если дать на вход этой схеме единичный отрицательный импульс – поместить её в «неблагоприятные условия», она отзовется стремительно затухающими колебаниями с периодом, который определяют характеристики LC-контура (вначале мемристор находится в высоко проводящем состоянии, отлично подавляющем колебания). Приблизительно так же модель себя ведёт и в случае, если неблагоприятные импульсы следуют нерегулярно. Но когда на входе оказывается серия импульсов, период которых похож на период контура, как в некий момент напряжение на мемристоре добивается порогового значения, и он стремительно перебегает в низковато проводящее состояние – другими словам, «запоминает» серию неблагоприятных воспоминаний.
Колебания в «запомнившей» схеме затухают еще медлительнее, хотя конкретное значение затухания определяют произвольные, по большенному счёту, характеристики системы. Но главное в том, что мемристор из низковато проводящего состояния вывести достаточно трудно – схема построена таким макаром, что при колебаниях напряжение на конденсаторе только на короткий срок подымается выше симметричного порогового значения, так что перейти в высоко проводящее состояние мемристор не успевает.
И хотя снаружи схема никак не проявляет свою память, информация записана в низкой проводимости мемристора.
Стоит только напомнить схеме о неприятностях ещё одним отрицательным импульсом, как она здесь же отзовется серией медлительно затухающих колебаний – «вспомнит» то, чему её учили. Притом память оказывается очень долгой – она восстановится и через сотку периодов LC-контура. Если б память слизистого гриба, который использовали жители страны восходящего солнца в своём именитом опыте, была бы таковой неплохой, то он бы вспоминал выученное и через несколько суток после обучения; в опыте на Physarum polycephalum память сохранялась только 6–7 часов.
Как непосредственно устроена память реального слизистого гриба, физикам из Калифорнии и Южной Каролины непонятно: «Мы физики, а не биологи», – предупреждает Юрий Першин. Непонятно, что в этой огромной многоядерной клеточке задаёт ритм, как он запоминает сигналы, и что принуждает его забывать их. Но общие сведения о физиологии гриба позволяют представить, что роль мемристора в плесени играет система каналов, транспортирующих внутриклеточную жидкость гриба снутри его эластичной оболочки.
По современным представлениям, движение миксамёбы – это конкретно неизменное переливание внутриклеточной воды вперёд-назад (чем же не «маятник»?) с маленьким перевесом потока «вперёд». Непрерывные вибрации актин-миозиновых белковых волокон делают перепад давления, который толкает жидкость. Сами же волокна соединены с оболочкой клеточки, а на неё уже действует трение о поверхность, по которой ползёт миксамёба. В конечном итоге сила трения отчасти уравновешивает реакцию волокон на движение воды, и клеточка в целом продвигается вперёд.
По сути жидкость в клеточке находится в 2-ух ипостасях – в виде экто- и эндоплазмы. В первой вязкость больше, чем во 2-ой, и эндоплазма пробирается через каналы в эктоплазме, как вода через губку. Но когда давление на эктоплазму в каком-то месте превосходит пороговое значение, её вязкость резко падает – можно сказать, что в эктоплазме «открывается ещё один канал». Понятно, что чем больше каналов открыто, тем резвее может двигаться миксамёба. А количество открытых каналов в конечном итоге определяет история движения слизи – ровно так, как сопротивление мемристора определяет история напряжения на его контактах. Кстати, если пристально приглядеться к устройству мемристора, который был сотворен спецами Hewlett Packard, можно увидеть и поболее глубочайшее сходство 2-ух моделей.
Естественно, было бы очень любопытно применить модель с мемристором и к набору из нескольких LC-контуров с мемристорами, соединённых совместно. Такая система могла бы послужить моделью нейронных сетей людского мозга, взаимодействующих через синапсы. Правда, как подступиться к задачке, Першин и Дивентра пока не знают. Учёные работают над этим вопросом.
