В журнале Nature Communications исследовательская группа из UNIST представила полностью биоразлагаемый, прочный и энергоэффективный искусственный синапс, который открывает большие перспективы для устойчивых нейроморфных технологий. Изготовленный исключительно из экологически чистых материалов природного происхождения — таких как ракушки, бобы и растительные волокна — этот инновационный продукт может помочь решить растущие проблемы электронных отходов и высокого энергопотребления.
Традиционные искусственные синапсы часто страдают от высокого энергопотребления и ограниченного срока службы. Команда под руководством профессора Хёнхюба Ко из Школы энергетики и химической инженерии поставила перед собой цель решить эти проблемы, разработав устройство, имитирующее синапсы головного мозга и одновременно являющееся экологически чистым.
Как работает биоразлагаемый синапс
В результате получается многослойная структура, изготовленная из натуральных биоразлагаемых полимеров, способная долгое время сохранять информацию и работать с очень низким энергопотреблением.
Устройство имеет форму крошечного сэндвича, состоящего из ионно-активных слоев, разделенных ионосвязывающим слоем из ацетата целлюлозы (полученного из стеблей растений), а также другими слоями, полученными из раковин и бобовых. При подаче электрического тока внутри устройства высвобождаются ионы натрия, подобные природным нейромедиаторам.
Эти ионы связываются на границах раздела, этот процесс называется ионно-дипольным взаимодействием, что позволяет синапсу удерживать часть ионов даже после прекращения стимуляции. Такое удержание позволяет устройству генерировать каскадные реакции, поддерживая различные формы синаптической пластичности, включая кратковременную и долговременную память.
Наиболее примечательно то, что этот искусственный синапс способен сохранять свою память почти 6000 секунд — около 100 минут — что делает его самым долговечным биоразлагаемым синапсом из всех известных на сегодняшний день.
Энергоэффективность и воздействие на окружающую среду
Кроме того, он потребляет чрезвычайно мало энергии — всего 0,85 фемтоджоулей на сигнал — что намного меньше, чем обычно требуется естественным синапсам головного мозга, потребление которых колеблется от 2,4 до 24 фемтоджоулей на событие.
Помимо своих функциональных возможностей, устройство полностью биоразлагаемо. Как ионно-активный, так и ионосвязывающий слои разлагаются естественным образом в почве в течение 16 дней, что помогает уменьшить растущую проблему электронных отходов. Используемые материалы, такие как ацетат целлюлозы и хитозан из раковин, безопасны для окружающей среды и разлагаются, не оставляя вредных остатков.
Потенциальные области применения и перспективы на будущее
Команда также продемонстрировала практическое применение — простую роботизированную систему , имитирующую рефлексы. Когда устройство обнаруживает тепло, движение ионов внутри него усиливает сигнал, заставляя руку робота отдергиваться от горячего объекта — подобно рефлексу у человека.
Это демонстрирует потенциал экологически чистых роботов, способных к обучению и реагированию на внешние раздражители, которые в конечном итоге исчезнут, не нанося вреда окружающей среде.
Профессор Ко подчеркнул: «Наша работа решает одновременно некоторые из самых больших проблем в технологии искусственных синапсов — сверхнизкое энергопотребление, стабильность, долговечность и биоразлагаемость. Это значительный шаг на пути к разработке экологически чистых нейроморфных устройств, которые могут безопасно взаимодействовать с окружающей средой, а затем незаметно исчезать».
