Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Разнообразие морфологии нейронов в слуховой коре

Wetware компьютер представляет собой органический компьютер (который также может быть известно как искусственный органическим мозг или нейрокомпьютер ) состоит из органического материала , таких как живые нейроны . [1] Компьютеры Wetware, состоящие из нейронов, отличаются от обычных компьютеров, потому что они, как считается, способны «думать самостоятельно» из-за динамической природы нейронов. [2]Хотя «мокрое ПО» по-прежнему в значительной степени концептуально, успехи в конструировании и прототипировании были ограниченными, что послужило доказательством реалистичного применения концепции в вычислениях в будущем. Наиболее известные прототипы появились в результате исследований, проведенных инженером-биологом Уильямом Дитто во время его работы в Технологическом институте Джорджии . [3] Его работа построение простого нейрокомпьютера способного основного дополнения от пиявки нейронов в 1999 году было значительное открытием для этой концепции. Это исследование послужило основным примером, вызвавшим интерес к созданию искусственно созданных, но все же органических мозгов .

Обзор [ править ]

Концепция «мокрого ПО» представляет особый интерес в области компьютерного производства. Закон Мура , который гласит, что количество транзисторов, которые можно разместить на кремниевом кристалле , удваивается примерно каждые два года, десятилетиями служил целью отрасли, но по мере того, как размер компьютеров продолжает уменьшаться, способность удовлетворять требованиям эта цель стала более сложной, угрожая выйти на плато. [4] Из-за сложности уменьшения размера компьютеров из-за ограничений по размеру транзисторов и интегральных схем., wetware представляет собой нетрадиционную альтернативу. Компьютер с программным обеспечением, состоящий из нейронов, является идеальной концепцией, потому что, в отличие от обычных материалов, которые работают в двоичной системе (вкл / выкл), нейрон может переключаться между тысячами состояний, постоянно изменяя свою химическую конформацию и перенаправляя электрические импульсы через более чем 200000 каналов в любом его многочисленных синаптических связей. [3] Из-за такой большой разницы в возможных параметрах настройки для любого нейрона по сравнению с ограничениями двоичного кода обычных компьютеров, пространственные ограничения намного меньше. [3]

Фон [ править ]

Концепция «мокрого ПО» отличается и нетрадиционна, и вызывает небольшой резонанс как в аппаратном, так и в программном обеспечении обычных компьютеров. Хотя под аппаратным обеспечением понимается физическая архитектура традиционных вычислительных устройств, построенных из электрических схем и силиконовых пластин, программное обеспечениепредставляет собой закодированную архитектуру хранения и инструкций. Wetware - это отдельная концепция, которая использует формирование органических молекул, в основном сложных клеточных структур (таких как нейроны), для создания вычислительного устройства, такого как компьютер. В программном обеспечении идеи аппаратного и программного обеспечения взаимосвязаны и взаимозависимы. Молекулярный и химический состав органической или биологической структуры будет представлять не только физическую структуру влажного ПО, но и программное обеспечение, которое постоянно перепрограммируется дискретными сдвигами в электрических импульсах и градиентами химической концентрации по мере того, как молекулы изменяют свою структуру для передачи сигналов. Чувствительность клетки, белков и молекул к изменению конформации как внутри их собственных структур, так и вокруг них,связать вместе идею внутреннего программирования и внешней структуры способом, чуждым нынешней модели традиционной компьютерной архитектуры.[1]

Структура программного обеспечения представляет собой модель, в которой внешняя структура и внутреннее программирование взаимозависимы и унифицированы; Это означает, что изменения в программировании или внутренней связи между молекулами устройства будут представлять физическое изменение в структуре. Динамический характер влажного оборудования заимствован из функции сложных клеточных структур в биологических организмах. Сочетание «аппаратного обеспечения» и «программного обеспечения» в одной динамической и взаимозависимой системе, которая использует органические молекулы и комплексы для создания нетрадиционной модели вычислительных устройств, является конкретным примером прикладной биоробототехники .

Ячейка как модель оборудования [ править ]

Клетки во многих отношениях можно рассматривать как отдельную форму естественного влажного ПО, аналогично концепции, согласно которой человеческий мозг является уже существующей модельной системой для сложного влажного ПО. В своей книге « Влажное ПО: компьютер в каждой живой клетке» (2009) Деннис Брейобъясняет свою теорию о том, что клетки, которые являются самой основной формой жизни, представляют собой всего лишь очень сложную вычислительную структуру, подобную компьютеру. Чтобы упростить один из его аргументов, ячейку можно рассматривать как тип компьютера, использующего свою собственную структурированную архитектуру. В этой архитектуре, как и в традиционном компьютере, многие более мелкие компоненты работают в тандеме для приема ввода, обработки информации и вычисления вывода. В чрезмерно упрощенном, нетехническом анализе клеточная функция может быть разбита на следующие компоненты: информация и инструкции для выполнения хранятся в клетке в виде ДНК, РНК действует как источник четко закодированных входных данных, обрабатываемых рибосомами и другими факторами транскрипции. для доступа и обработки ДНК и для вывода белка. Брей 'Аргумент в пользу рассмотрения клеток и клеточных структур как моделей естественных вычислительных устройств важен при рассмотрении более прикладных теорий влажного ПО по отношению к биоробототехнике.[1]

Биороботика [ править ]

Влажное ПО и биороботика - это тесно связанные концепции, которые заимствуют схожие общие принципы. Биороботическая структура может быть определена как система, смоделированная на основе уже существующего органического комплекса или модели, такой как клетки (нейроны) или более сложных структур, таких как органы (мозг) или целые организмы. [5] В отличие от влажного ПО концепция биороботики не всегда представляет собой систему, состоящую из органических молекул, а вместо этого может состоять из обычного материала, который разработан и собран в структуру, аналогичную или полученную из биологической модели. Биороботика имеет множество применений и используется для решения проблем традиционной компьютерной архитектуры. Концептуально проектирование программы, робота или вычислительного устройства на основе существовавшей ранее биологической модели, такой как клетка или даже целый организм, дает инженеру или программисту преимущества включения в структуру эволюционных преимуществ модели. [6]

Приложения и цели [ править ]

Базовый нейрокомпьютер, состоящий из нейронов пиявки [ править ]

В 1999 году Уильям Дитто и его команда исследователей из Технологического института Джорджии и Университета Эмори создали базовую форму компьютера с программным обеспечением, способного к простому добавлению, используя нейроны пиявки . [3]Пиявки использовались в качестве модельных организмов из-за большого размера их нейрона и простоты, связанной с их сбором и манипуляциями. Компьютер смог завершить базовое добавление с помощью электрических датчиков, вставленных в нейрон. Однако манипулирование электрическими токами через нейроны было нетривиальным достижением. В отличие от традиционной компьютерной архитектуры, которая основана на двоичных состояниях включения / выключения, нейроны могут существовать в тысячах состояний и взаимодействовать друг с другом через синаптические соединения, каждое из которых содержит более 200 000 каналов. [7] Каждый из них может динамически изменяться в процессе, называемом самоорганизацией, чтобы постоянно формировать и реформировать новые связи. Обычная компьютерная программа, называемая динамическим зажимомбыл написан Евой Мардер , нейробиологом из Университета Брандейса, которая могла считывать электрические импульсы от нейронов в реальном времени и интерпретировать их. Эта программа использовалась для манипулирования электрическими сигналами, поступающими в нейроны, для представления чисел и для связи друг с другом для возврата суммы. Хотя этот компьютер является очень простым примером структуры программного обеспечения, он представляет собой небольшой пример с меньшим количеством нейронов, чем в более сложном органе. Дитто считает, что при увеличении количества присутствующих нейронов хаотические сигналы, передаваемые между ними, будут самоорганизовываться в более структурированный паттерн, такой как регуляция сердечных нейронов в постоянное сердцебиение, обнаруживаемое у людей и других живых организмов. [3]

Биологические модели для обычных вычислений [ править ]

После своей работы по созданию базового компьютера из нейронов пиявки, Дитто продолжал работать не только с органическими молекулами и программным обеспечением, но и над концепцией применения хаотической природы биологических систем и органических молекул к обычным материалам и логическим воротам. Хаотические системы имеют преимущества для генерации шаблонов и вычисления функций более высокого порядка, таких как память, арифметическая логика и операции ввода / вывода. [8] В статье « Построение хаотического компьютерного чипа»Дитто обсуждает преимущества использования хаотических систем в программировании с их большей чувствительностью к отклику и изменению конфигурации логических вентилей в его концептуальном хаотическом чипе. Основное различие между хаотической компьютерной микросхемой и обычной компьютерной микросхемой - это реконфигурируемость хаотической системы. В отличие от традиционного компьютерного чипа, в котором программируемый элемент логической матрицы должен быть перенастроен путем переключения множества одноцелевых логических вентилей, хаотический чип может перенастроить все логические вентили посредством управления шаблоном, генерируемым нелинейным хаотическим элементом. . [8]

Влияние программного обеспечения на когнитивную биологию [ править ]

Когнитивная биология рассматривает познание как базовую биологическую функцию. В. Текумсе Фитч , профессор когнитивной биологии Венского университета , является ведущим теоретиком идей клеточной интенциональности. Идея состоит в том, что не только целые организмы обладают чувством «близости» интенциональности, но и что отдельные клетки также несут чувство интенциональности через способность клеток адаптироваться и реорганизовываться в ответ на определенные стимулы. [9]Fitch обсуждает идею нано-интенциональности, особенно в отношении нейронов, в их способности корректировать перестройки для создания нейронных сетей. Он обсуждает способность клеток, таких как нейроны, независимо реагировать на стимулы, такие как повреждение, как то, что он считает «внутренней интенциональностью» в клетках, объясняя, что «на гораздо более простом уровне, чем преднамеренность на когнитивном уровне человека, я предполагают, что эта базовая способность живых существ [реакция на стимулы] обеспечивает необходимые строительные блоки для познания и интенциональности более высокого порядка ». [9]Fitch описывает ценность своих исследований для конкретных областей информатики, таких как искусственный интеллект и компьютерная архитектура. Он утверждает, что «исследователь стремится создать сознательную машину, делая это с помощью жестких переключателей (будь то электронные лампы или статические кремниевые чипы), это не то дерево». [9] Fitch считает, что важным аспектом развития таких областей, как искусственный интеллект, является программное обеспечение с нанозависимостью и автономной способностью адаптироваться и реструктурировать себя.

В обзоре вышеупомянутого исследования, проведенного Fitch, Дэниел Деннет, профессор Университета Тафтса, обсуждает важность различия между концепцией оборудования и программного обеспечения при оценке идеи влажного ПО и органических материалов, таких как нейроны. Деннет обсуждает ценность наблюдения за человеческим мозгом как на уже существующем примере «влажного ПО». Он считает, что мозг обладает «способностью кремниевого компьютера брать на себя неограниченное количество временных когнитивных ролей». [10]Деннет не согласен с Fitch в некоторых областях, таких как соотношение программного и аппаратного обеспечения с программным обеспечением, а также на то, на что может быть способна машина с программным обеспечением. Деннет подчеркивает важность дополнительных исследований человеческого познания, чтобы лучше понять внутренний механизм, с помощью которого может работать человеческий мозг, чтобы лучше создать органический компьютер. [10]

Будущие приложения [ править ]

Подполе органических компьютеров и программного обеспечения все еще остается в значительной степени гипотетическим и находится на предварительной стадии. Несмотря на то, что с момента появления калькулятора на основе нейронов, разработанного Дитто в 1990-х годах, в создании органического компьютера еще не произошло серьезных изменений, исследования продолжают продвигать эту область вперед. Такие проекты, как моделирование хаотических путей в кремниевых чипах Ditto, сделали новые открытия в способах организации традиционных кремниевых чипов и структурирования компьютерной архитектуры, чтобы сделать ее более эффективной и лучше структурированной. [8] Идеи, возникающие в области когнитивной биологии, также помогают продолжать продвигать открытия в способах структурирования систем для искусственного интеллекта, чтобы лучше имитировать ранее существовавшие системы у людей. [9]

В предлагаемом грибковом компьютере, использующем базидиомицеты , информация представлена ​​всплесками электрической активности, вычисления реализованы в сети мицелия , а интерфейс реализован через плодовые тела. [11]

См. Также [ править ]

  • Искусственная нейронная сеть
  • Химический компьютер
  • Квантовый компьютер
  • Нетрадиционные вычисления
  • Влажное ПО (мозг)

Внешние ссылки [ править ]

  • Биологический компьютер родился
  • Нейрокомпьютеры - компьютеры далеки от человеческого мозга ( журнал Discover , октябрь 2000 г.)
  • Обнаружен новый материал для органических компьютеров
  • Wetware: компьютер в каждой живой клетке

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Брей, Деннис (2009). Влажное ПО: компьютер в каждой живой клетке . Издательство Йельского университета. ISBN 9780300155440.
  2. ^ "Биологический компьютер родился" . BBC News . 2 июня 1999 . Проверено 24 октября 2017 года .
  3. ^ a b c d e Sincell, Марк. «Технологии будущего» . Откройте для себя . Проверено 6 февраля 2018 .
  4. ^ Popkin, Габриэль (15 февраля 2015). «Закон Мура вот-вот станет странным» . Наутилис . Проверено 25 октября 2017 года .
  5. ^ Ljspeert, Auke (10 октября 2014). «Биоробототехника: использование роботов для имитации и исследования маневренности» . Наука . 346 (6206): 196–203. Bibcode : 2014Sci ... 346..196I . DOI : 10.1126 / science.1254486 . PMID 25301621 . S2CID 42734749 .  
  6. ^ Триммер, Bary (12 ноября 2008). «Новые вызовы в биоробототехнике: включение мягких тканей в системы управления» . Прикладная бионика и биомеханика . 5 (3): 119–126. DOI : 10.1155 / 2008/505213 .
  7. ^ Лей, Джордж; Сингх, Хемант Кумар; Эльсайед, Сабер (2016-11-08). Интеллектуальные и эволюционные системы: 20-й Азиатско-Тихоокеанский симпозиум, IES 2016, Канберра, Австралия, ноябрь 2016 г., Труды . Springer. ISBN 9783319490496.
  8. ^ a b c То же, Уильям. "Строительство хаотического компьютерного чипа" (PDF) . Проверено 24 октября 2017 года .
  9. ↑ a b c d Fitch, W. Tecumseh (25 августа 2007 г.). «Нано-интенциональность: защита внутренней интенциональности». Springer .
  10. ^ а б Деннетт, Д. (2014). «Различие в программном и влажном ПО». Обзоры физики жизни . 11 (3): 367–368. DOI : 10.1016 / j.plrev.2014.05.009 . PMID 24998042 . 
  11. ^ Адамацкий, Эндрю (2018-12-06). «К грибковому компьютеру» . Интерфейсный фокус . 8 (6): 20180029. DOI : 10.1098 / rsfs.2018.0029 . ISSN 2042-8898 . PMC 6227805 . PMID 30443330 .