Sciencemag.cz
Doporučujeme
Biologickými systémy se inspirují neuronové sítě, tím to ale nemusí končit. Mozek při svých „výpočtech“ namísto elektronů využívá ionty, a to v prostředí víceméně kapalném. Ionty ve vodě se sice pohybují pomaleji než elektrony v polovodičích, ale iontů známe zato řadu typů, s různými fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Zpracování informací by proto mohlo být v nějakém ohledu „bohatší“. Iontové výpočty jsou však zatím v počátcích. Dosud laboratoře vyvinuly pouze jednotlivá zařízení, jako jsou iontové diody a tranzistory, ale nikoliv jejich kombinaci do komplexnějšího obvodu.
Počítání v roztoku jsme zde již měli v podobě DNA počítačů, které se ale nakonec neujaly. Na následujícím projektu se sice podílí biotechnologický start-up DNA Script, s minulou technologií má ale společného velmi málo. Jednak proto, že se zde nevyužívá žádného párování bází ani DNA, za druhé pak kvůli tomu, že vědci k problému přistoupili opačně. Zatímco DNA počítače byly navrženy nikoliv jako obecné systémy, ale pro řešení konkrétního typu úloh (problém obchodního cestujícího, respektive na něj převoditelné jiné NP úplné úlohy), cílem nového výzkumu je postupovat zdola od nejjednoduššího prvku, tranzistoru.
Jak již bylo řečeno, „iontový tranzistor“ byl zkonstruován už dříve. V rámci nové studie byl použit tranzistor na bázi vodného roztoku molekul chinonu, propojeného se dvěma soustřednými kruhovými elektrodami a s diskovou elektrodou uprostřed. Obě prstencové elektrody elektrochemicky snižují a ladí místní pH v okolí středového disku tím, že produkují a zachycují vodíkové ionty. Napětí přivedené na středový disk způsobí elektrochemickou reakci, při níž vzniká iontový proud z disku do vody. Rychlost reakce lze zvýšit nebo snížit (= zvýšit nebo snížit iontový proud) vyladěním místního pH. Jinak řečeno, pH řídí proud iontů mezi diskem a vodným roztokem, a vytváří tak obdobu klasického tranzistoru.
Konkrétně iontový tranzistor řízený pH funguje tak, že proud diskem je aritmetickým násobkem napětí disku a váhového parametru představujícího lokální pH, které tranzistor řídí. Tyto tranzistory pak vědci uspořádali do pole 16 × 16. Analogové aritmetické násobení jednotlivých tranzistorů se tak mění na analogové násobení matic, přičemž pole lokálních hodnot pH slouží jako váhová matice, jak ji známe z neuronových sítí. Takové násobení matic je mj. hlavní operací při výpočtech v neuronových sítích pro umělou inteligenci.
Jak vysvětluje hlavní autor článku Woo-Bin Jung z Harvardu, ve vodném roztoku vše funguje analogovým způsobem. Systém není tak rychlý a přesný (a už vůbec nepracuje na srovnatelné škále), nicméně jde o hezkou, elegantní techniku, navíc energeticky efektivní. Což tedy platilo i pro DNA počítače; to ale neznamená, že celý nový výzkum je míněn jako hračka. Vědci chtějí dále systém, respektive příslušné výpočty obohatit. Dosud se v systému používaly jen 3-4 typy iontů, především vodíkové a chinonové; teď, když je zvládnuta základní funkčnost, lze celé uspořádání i jeho možné aplikace rozšiřovat…
Woo‐Bin Jung et al, An Aqueous Analog MAC Machine, Advanced Materials (2022). DOI: 10.1002/adma.202205096
Zdroj: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences / Phys.org
