Naukowcy AGH zbudowali pierwszy w Polsce sztuczny neuron

Naukowcy z Wydziału Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie stworzyli pierwszy w Polsce sztuczny neuron. Jak mówi RMF FM profesor Konrad Szaciłowski, odkrycie nastąpiło przy okazji badania nowatorskich fotoogniw zbudowanych na bazie siarczku kadmu. Całkowicie przypadkowo okazało się, ze prototypowe ogniwo wykazało efekt pamięci. Sztuczny neuron potrafi "zapamiętać", czy był poprzednio wzbudzany światłem, czy nie i w pewnym sensie potrafi skojarzyć następujące po sobie impulsy, co powoduje wzmocnienie sygnału elektrycznego.

Sztuczny neuron to układ, składający się z dwóch warstw polimeru przewodzącego prąd elektryczny, pomiędzy którymi znajduje się warstwa żelu polimerowego, zawierającego nanocząsteczki siarczku kadmu. Oświetlany krótkimi impulsami światła układ ten potrafi zapamiętać, czy w poprzednim cyklu był oświetlany, czy nie i w zależności od tego odpowiada sygnałem elektrycznym o różnej amplitudzie.

Badacze z AGH zamierzają wykorzystać go do diagnostyki medycznej. Po dobraniu odpowiedniego składu polimerów, czy też nanocząstek, można bowiem dzięki niemu z bardzo dużą dokładnością dokonywać detekcji cząsteczek chemicznych, obecnych w naszym organizmie, które mogą na przykład świadczyć o pewnych schorzeniach.

Grzegorz Jasiński: Panie profesorze, jak wygląda pierwszy w Polsce sztuczny neuron?

Konrad Szaciłowski: To mała polimerowa płytka, barwy pomarańczowej o powierzchni około centymetra kwadratowego.

Całkiem spory.

Jak na razie tak, ale pracujemy nad tym, by go zmniejszyć. Teoretycznie może osiągnąć rozmiary nawet kilku nanometrów.

Wtedy można by go użyć na przykład do prób stworzenia sztucznego mózgu, choć to akurat nie jest celem tych badań...

Można byłoby go tak zastosować, z tym, że uzyskanie takiej ilości połączeń, jaką mamy w naszych mózgach jest na obecnym poziomie technologii niemożliwe. Nasze badania koncentrują się głównie na nowych technikach diagnostyki medycznej.

Zanim o tym porozmawiamy, powiedzmy najpierw skąd ten neuron się wziął. Było w tym trochę przypadku.

Tak. Neuron powstał całkowicie przypadkowo, podczas testowania nowych materiałów do ogniw fotowoltaicznych. Taki układ, jeśli jest oświetlany światłem, generuje prąd elektryczny. Tego typu urządzenia od dawna są stosowane choćby w kalkulatorach, zegarkach, czy panelach słonecznych, ale ciągle poszukiwane są materiały o większej wydajności albo niższej cenie, czy łatwiejszej konstrukcji. Naszym celem tak naprawdę nie było badanie efektu fotowoltaicznego, jako takiego, tylko badania fundamentalnych procesów, biegnących w ogniwach słonecznych. I oto całkowicie przypadkowo okazało się, że nasze prototypowe ogniwo wykazało efekt pamięci, czyli oświetlane krótkimi impulsami światła potrafiło zapamiętać, czy w poprzednim cyklu było oświetlane, czy też nie. I tak się zaczęły badania nad sztucznym neuronem.

Pamięć to coś, co natychmiast przywodzi na myśl mózg i to z czego mózg się składa, czyli właśnie komórki nerwowe. Na czym polega ten efekt pamięci w tym konkretnym sztucznym neuronie.

Mówiąc prostymi słowami polega na tym, że nasz neuron potrafi zapamiętać czy był poprzednio wzbudzany światłem, czy nie i w pewnym sensie potrafi skojarzyć ze sobą, następujące po sobie impulsy, co powoduje wzmocnienie sygnału elektrycznego.

Jeśli obserwujemy obraz jego aktywności na ekranie, to co zobaczymy jeśli będziemy mieli pojedyncze, oddalone od siebie impulsy światła. Jak ten obraz będzie wyglądał?

Te obrazy wyglądają bardzo podobnie do przebiegów elektroencefalograficznych, czyli krótkich szpilek sygnału elektrycznego. Jeśli te impulsy nie są ze sobą skojarzone, to mają bardzo niską amplitudę. W przypadku, gdy nastąpi skojarzenie dwóch impulsów, amplituda sygnału potrafi wzrosnąć nawet kilkukrotnie.

Czyli jeżeli podamy na ten układ dwa błyski światła, to będziemy mieli w reakcji jeden niższy impuls elektryczny i po nim następujący wyższy...

Świadczy to o tym, ze układ zapamiętał pierwszy impuls i informację o tym, że go pamięta oddał jakby w następnym cyklu działania, po podaniu kolejnego impulsu.

Co się stanie, gdy podamy trzy kolejne impulsy jeden za drugim?

To wtedy pierwszy będzie mały, dwa kolejne będą większe, bo układ będzie pamiętał to, że poprzednio, w krótkim czasie, poprzedzającym interesujący nas impuls, też taki impuls dostał. Jak na razie może w ten sam sposób działać przez kilka, kilkanaście godzin, potem niestety materiały, z których został zbudowany ulegają powolnej degradacji.

Powiedzmy coś o tych materiałach...

Są to dwie warstwy polimeru przewodzącego prąd elektryczny, pomiędzy którymi znajduje się warstwa żelu polimerowego, zawierającego nanocząstki siarczku kadmu.

To jest związek, który państwo badacie tu już od dość dawna i z dużymi sukcesami.

To substancja, którą zajmujemy się od bardzo dawna. Badaliśmy wiele zjawisk, związanych z tym materiałem i poprzednio, również z tego materiału, udało nam się zbudować jak na razie chyba najmniejsze, istniejące obwody logiczne, zajmujące powierzchnię kilkudziesięciu nanometrów kwadratowych.

Dlaczego siarczek kadmu jest tak dogodnym i ciekawym materiałem?

Ten materiał jest bardzo łatwy w syntezie, bardzo tani i wykazuje wiele ciekawych właściwości w momencie, kiedy jest wzbudzany promieniowaniem widzialnym.

Jakie to właściwości?

Potencjał elektryczny, generowany przez ten materiał zależy od barwy światła, którym go oświetlamy. Jeśli taką elektrodę z siarczku kadmu oświetlimy światłem zielonym, to prąd w naszym obwodzie umownie płynie w prawo. Jeśli światłem niebieskim, to w lewo.

Rozumiemy dokładnie dlaczego tak się dzieje?

Tak, wszystko zależy od tego, w jaki sposób materiał jest przygotowywany, jakie są w nim zawarte domieszki, jaka jest postać kryształów tego materiału.

Wspomniał pan o tym, że łatwo przygotować ten materiał, ale żeby otrzymać go w postaci możliwej do takich zastosowań musieliście się państwo nad tym trochę natrudzić.

Trudne tutaj było nie samo przygotowanie materiału, ale wymyślenie sposobu. Ten materiał każdy może przygotować niemalże w warunkach domowych. Wystarczy do tego prosta kuchenka mikrofalowa. Bierzemy jakikolwiek związek kadmu, jakiekolwiek źródło siarki, mieszamy to z glikolem etylenowym, czyli na przykład płynem chłodzącym z samochodu i przez 10 minut podgrzewamy w kuchence mikrofalowej.

Czy to bezpieczne dla wszystkich domowych małych chemików, którzy może teraz nadstawiają uszu?

Ze względu na toksyczność związków kadmu raczej bym tego nie polecał, natomiast od strony manualnej nie niesie to ze sobą jakiejkolwiek trudności.

Wróćmy do sprawy, o której pan już nieco wspomniał, do zastosowań tego sztucznego neuronu jako narzędzia do diagnostyki medycznej.

To jest w tej chwili główny cel naszych badań, ponieważ w badanych przez nas materiałach procesy przetwarzania informacji biegną na poziomie molekularnym. Zmieniając skład chemiczny otoczenia możemy wpływać na zmianę właściwości tych układów. Po dobraniu odpowiedniego składu polimerów, czy też nanocząstek możemy z bardzo dużą dokładnością dokonywać detekcji cząsteczek chemicznych, obecnych w naszych organizmach, które mogą na przykład świadczyć o pewnych schorzeniach.

W jakim kierunku te badania będą szły teraz?

W tej chwili podstawowym naszym celem jest zwiększenie stabilności tego układu, aby on mógł działać dłużej, a nie tylko kilka czy kilkanaście godzin, a następnie zwiększenie stopnia skomplikowania, by nie był to neuron, który ma tylko jedno wejście i jedno wyjście, tylko żeby był bardziej podobny do naturalnych neuronów, które jednocześnie mogą przyjmować wiele sygnałów wejściowych.

Grzegorz Jasiński: W jaki sposób ten układ w praktyce jest tu w laboratorium zbudowany?

Agnieszka Podborska: Na początku przygotowujemy warstwę naszego polimeru z półprzewodnikiem, następnie przykładamy do elektrody odpowiedni potencjał i dostarczamy krótkie impulsy światła. W tym przypadku to długość fali 465 nanometrów. Na jednym kanale obserwujemy impulsy światła, które dostarczamy, na drugim kanale obserwujemy odpowiedź tego układu dla kolejnych impulsów.

Dlaczego akurat taka częstotliwość światła?

Dlatego, że właśnie taka częstotliwość przypada na zakres absorpcji dla danego materiału, dla siarczku kadmu. Możemy to zmieniać dla różnych materiałów.

Jak trudne jest przygotowanie tego układu, jak długo trwa?

Około dziesięciu minut.

Jak długo on potem działa, jak szybko się degraduje?

On stabilnie pracuje przez kilkadziesiąt godzin albo nawet dłużej. Dłużej nie był testowany Ten eksperyment możemy powtarzać po kilku dniach i on dalej działa.

Ten efekt zachodzi w siarczku kadmu dzięki znajdującym się tam defektom.

Tak, ten efekt jest spowodowany tym, że pierwszy impuls powoduje nam wysycanie tego poziomu defektowego. Przy kolejnych nie obserwujemy już efektu uczenia się, bo ten poziom jest już zapełniony elektronami.

Jak bliskie muszą być te dwa impulsy, by efekt krótkotrwałej pamięci był zauważalny?

Im bliżej, tym efekt jest silniejszy, natomiast przy częstotliwości około 500 mikrosekund i mniejszej przestajemy go już obserwować.

Czyli to jest już granica tej pamięci krótkotrwałej. Możemy powiedzieć jak długo pamięta ten neuron?

Przez pół sekundy...