박테리아 지오박터 유황 감소 겸손하게 시작되었습니다. 그것은 처음으로 고립된 도랑의 흙에서 넴만, 웰라칼리아. 그러나 이제 놀랍도록 놀라운 미생물이 살아있는 세포와 직접 상호 작용할 수 있는 최초의 인공 뉴런의 핵심이 되었습니다.
G. 유황 감소 매사추세츠 대학교 애머스트(University of Massachusetts Amherst)의 연구원들이 신호를 증폭하거나 변조하는 중간 장치 없이 살아있는 세포의 정보를 처음으로 처리할 수 있는 인공 뉴런을 만드는 데 사용하는 작은 단백질 기반 전선을 통해 서로 통신한다고 연구원들은 말합니다.
일부는 인공 뉴런 이미 존재한다우리 몸이 생성하는 신호를 감지하려면 전자 증폭이 필요하다고 설명합니다. 야오 준UMass Amherst에서 생체전자공학 및 나노전자공학을 연구하고 있습니다. 증폭은 전력 사용량과 회로 복잡성을 모두 부풀려 뇌에서 발견되는 효율성을 상쇄합니다.
Yao 팀의 뉴런은 약 0.1V의 자연 진폭에서 신체 신호를 이해할 수 있습니다. 이것은 “매우 참신하다”고 말합니다. 보지 티안시카고 대학교에서 생체전자공학을 연구하고 있으며 해당 연구에는 참여하지 않은 생물물리학자입니다. 이 연구는 “전자 신호와 생물학적 신호 사이의 오랜 격차를 해소”하고 Tian이 “전례 없는”이라고 부르는 인공 뉴런과 살아있는 세포 사이의 상호 작용을 보여줍니다.
실제 뉴런과 인공 뉴런
생물학적 뉴런 뇌의 기본 구성 요소입니다. 외부 자극이 충분히 강하면 뉴런에 전하가 축적되어 활동 전위, 즉 전압의 스파이크가 뉴런의 몸을 따라 이동하여 감정과 움직임을 포함한 모든 유형의 신체 기능을 활성화합니다.
과학자들은 수십 년 동안 전자 장치의 능력을 벗어나는 것처럼 보였던 인간 두뇌의 효율성을 쫓아 합성 뉴런을 설계하기 위해 노력해 왔습니다.
Yao의 그룹은 생물학적 뉴런이 전기 신호를 감지하고 반응하는 방식을 모방하는 새로운 인공 뉴런을 설계했습니다. 그들은 센서를 사용하여 외부 생화학적 변화를 모니터링하고 멤리스터– 기본적으로 메모리가 있는 저항기 – 활동 전위 과정을 에뮬레이트합니다.
외부 생화학적 현상으로 인한 전압이 증가함에 따라 이온이 축적되어 멤리스터의 틈새를 가로질러 필라멘트를 형성하기 시작합니다. 이 경우 멤리스터는 단백질 나노와이어로 채워져 있습니다. 전압이 충분하면 필라멘트가 간격을 완전히 메웁니다. 전류가 장치를 통해 흐르면 필라멘트가 용해되어 이온이 분산되고 전류가 중단됩니다. 전체 과정은 뉴런의 활동 전위를 모방합니다.
연구팀은 인공 뉴런을 심장 조직에 연결해 테스트했다. 이 장치는 세포 수축의 기본 양을 측정했는데, 이는 인공 뉴런이 발화할 만큼 충분한 신호를 생성하지 못했습니다. 그런 다음 연구원들은 세포 수축 빈도를 증가시키는 약물인 노르에피네프린을 조직에 투여한 후 또 다른 측정을 수행했습니다. 인공 뉴런은 더 높은 수준의 약물 시험 동안에만 활동 전위를 유발하여 살아있는 세포의 변화를 감지할 수 있음을 입증했습니다.
실험 결과는 9월 29일에 발표되었습니다. 네이처커뮤니케이션즈.
천연 나노와이어
그룹은 G. 유황 감소 돌파구에 감사드립니다.
미생물은 다음과 같은 소형 케이블을 합성합니다. 단백질 나노와이어종간 통신에 사용합니다. 이 케이블은 야생에서 부패하지 않고 오랜 기간 동안 생존하는 전하 전도체입니다. (기억하세요, 그들은 오클라호마 수로를 위해 진화했습니다.) Yao는 장치 제작에 있어서도 매우 안정적이라고 말했습니다.
엔지니어들에게 나노와이어의 가장 주목할만한 특성은 이온이 나노와이어를 따라 얼마나 효율적으로 이동하는지입니다. 나노와이어는 인간 세포와 인공 뉴런 사이에 전하를 전달하는 저에너지 수단을 제공하므로 별도의 증폭기나 변조기가 필요하지 않습니다. Yao는 “놀랍게도 이 소재는 이를 위해 설계되었습니다.”라고 말했습니다.
이 그룹은 박테리아 몸체에서 케이블을 잘라내어 물질을 정제하고 용액에 부유시키는 방법을 개발했습니다. 그들은 혼합물을 깔고 물을 증발시켜 단백질 나노와이어 물질로 만들어진 1분자 얇은 필름을 남겼습니다.
이러한 효율성 덕분에 인공 뉴런은 엄청난 전력 절감 효과를 얻을 수 있습니다. Yao 연구팀은 뉴런의 핵심에 있는 멤리스터에 필름을 통합하여 멤리스터가 센서가 인식하는 신호에 반응하도록 하는 반응에 대한 에너지 장벽을 낮췄습니다. 연구진은 이러한 혁신을 통해 인공 뉴런이 다른 뉴런에 비해 전압은 1/10, 전력은 1/100만 사용한다고 밝혔습니다.
시카고의 Tian은 이러한 “매우 인상적인” 에너지 효율성이 “미래의 저전력, 이식형 및 생체 통합 컴퓨팅 시스템에 필수적”이라고 생각합니다.
전력 이점으로 인해 이 합성 뉴런 디자인은 모든 종류의 응용 분야에 매력적이라고 연구진은 말합니다.
신체의 자극에 적응하는 보철물과 같은 반응형 웨어러블 전자 장치는 이러한 새로운 인공 뉴런을 활용할 수 있다고 Tian은 말합니다. 결국 뉴런에 의존하는 이식형 시스템은 “살아있는 조직처럼 학습하여 개인화된 의학과 뇌에서 영감을 받은 컴퓨팅을 발전시켜” “생리학적 상태를 해석하여 전자 장치와 살아있는 지능을 병합하는 바이오하이브리드 네트워크로 이어질 수 있습니다”라고 그는 말합니다.
인공 뉴런은 생의학 분야 이외의 전자공학에도 유용할 수 있다. 칩에 수백만 개가 트랜지스터를 대체하여 동일한 작업을 완료하면서 전력 사용량을 줄일 수 있다고 Yao는 말합니다. 뉴런의 제조 공정에는 고온이 포함되지 않으며 실리콘 칩 제조업체가 사용하는 것과 동일한 종류의 포토리소그래피를 활용한다고 그는 말했습니다.
그러나 Yao는 이러한 인공 뉴런을 전자 제품용으로 확장할 때 생산자가 직면할 수 있는 두 가지 병목 현상을 지적합니다. 첫 번째는 더 많은 단백질 나노와이어를 얻는 것입니다. G. 유황 감소. 그의 연구실에서는 현재 3일 동안 단 100마이크로그램의 물질을 생성하기 위해 노력하고 있습니다. 이는 식용 소금 한 알의 질량에 해당합니다. 그리고 그 양은 매우 작은 장치에만 코팅할 수 있으므로 Yao는 공정의 이 단계가 생산을 위해 어떻게 확장될 수 있는지 의문을 제기합니다.
그의 또 다른 관심사는 실리콘 웨이퍼 규모에서 필름의 균일한 코팅을 달성하는 방법입니다. “고밀도, 소형 장치를 만들고 싶다면 필름 두께의 균일성이 실제로 중요한 매개변수입니다.”라고 그는 설명합니다. 그러나 그의 그룹이 개발한 인공 뉴런은 너무 작아서 현재로서는 의미 있는 균일성 테스트를 수행할 수 없습니다.
Tian은 인공 뉴런이 기존 컴퓨팅에서 실리콘 트랜지스터를 대체할 것이라고 기대하지 않고 대신 이를 “생물학적 적응성과 전자 정밀도를 결합한 하이브리드 칩”을 위한 병행 제품으로 보고 있다고 말했습니다.
먼 미래에 Yao는 이러한 생체 유래 장치가 산업 발전에 기여하지 않은 것으로 평가되기를 바랍니다. 전자 폐기물. 사용자가 더 이상 장치를 원하지 않으면 생물학적 구성 요소를 주변 환경에 버릴 수 있다고 Yao는 말합니다. 왜냐하면 환경에 위험을 초래하지 않기 때문입니다.
Yao는 “이러한 종류의 자연 유래 미생물 물질을 사용함으로써 우리는 세계를 위해 더욱 지속 가능한 친환경 기술을 만들 수 있습니다.”라고 말합니다.