В бионике есть одна бесконечно благодатная тема, к которой все возвращаются на новых и новых уровнях, — это создание биоподобных вычислительных элементов вроде искусственных нейронов, мемристоров или синапсов. О последних речь в новой работе южнокорейских и американских ученых, где искусственный синапс сделали на основе электропроводящего полимера и пары металлических электродов.
Синапс — это контакт между нейроном, передающим электрический сигнал, и другой клеткой — например, вторым нейроном, принимающим сигнал, или клеткой мышечной ткани, приводимой в действие этим сигналом. В природе синапсы чаще всего работают за счет дополнительных веществ-агентов, нейромедиаторов: нервный импульс в первом нейроне вызывает выделение нейромедиаторов в синаптическое пространство, по которому они доходят до второй клетки, чтобы запустить сигнал уже там.
По похожему принципу работает и этот искусственный синапс, который выглядит как трехслойный сэндвич: сверху — кремниевая пластина (пресинаптический нейрон), снизу — алюминиевая (постсинаптический нейрон), а между ними прослойка из полимера, способного пропускать электрический ток и еще диссоциировать (то есть разделяться) на массивный заряженный остов и легкие подвижные ионы, которые и играют роль нейромедиаторов — электрический ток в верхней пластине шевелит ионы в полимерной прослойке, которые бегут к нижней пластине и запускают новую волну тока уже там.
Такая нехитрая структура в испытаниях показала некоторые свойства самых настоящих синапсов. Например, она умеет усиливать парные импульсы (если временной зазор между электрическими импульсами одинаковой силы в верхней пластине составлял от 20 до 500 мс, то в нижней пластине возникали более сильные токи, чем от одиночных импульсов) и обладает разными типами нейропластичности — например, чем чаще приходили возбуждающие сигналы, тем более сильный «постсинаптический» ток возникал в алюминиевой пластине.
Существует множество аналогичных решений в том числе и на других полимерах, но у южнокорейского варианта есть несколько принципиальных преимуществ. Во-первых, его размеры предельно напоминают биологические синапсы (его толщина порядка 40 нм), а во-вторых, он работает с электрическими сигналами столь малой интенсивности (порядка 10 мВ в пресинаптическом электроде возбуждают ток в несколько пикоампер в постсинаптическом электроде), что его энергоэффективность почти идентична природной. Так что совсем не исключено, что в будущем бионическом компьютере за синапсы будет отвечать именно корейская разработка или ее прямой наследник.
Очень необычная статья, тоже близкая теме бионических вычислителей, пришла из Индии: местные ученые закупились на рынке шампиньонами Agaricus bisporus, нарезали их кусочками, пропитали наночастицами и получили простейшие вычислительные элементы.
Работают эти элементы в водных растворах перекиси водорода H2O2. Дело в том, что шампиньоны содержат ферменты, разлагающие перекись на воду и кислород, а после того, как их дополнительно покрывают наночастицами магнетитов (индийцы опускали кусочки шампиньонов в 50—160 микрометров в растворы магнетитов с температурой в 50 °C и давали им «настояться» за ночь), их активная поверхность становится гораздо больше. В результате реакция разложения перекиси идет так быстро, что образующиеся пузырьки кислорода начинают хаотично расталкивать кусочки шампиньонов (ученые называют их гордым и труднопереводимым словом logibot) в разные стороны.
Однако если в такой системе еще и создать перепад значений pH, капнув с разных сторон от кусочков грибов каких-нибудь сильнокислых или сильнощелочных растворов, то передвижениями ботов еще можно будет управлять. Например, если с одной стороны от них появиться большая область с кислым pH, то пузырьки кислорода будут чаще появляться на противоположной стороне ботов и в результате они будут постепенно дрейфовать в сторону кислого пятна.
На этом эффекте и работают индийские бионические логические элементы. Например, простейшая логическая операция, дизъюнкция, выглядит следующим образом. На вход «наногрибной» бот получает два сигнала: слева от бота капают кислоту (есть кислота, то сигнал — логическая 1, если нет — логический 0), а справа — щелочь (1 — щелочь есть, а 0 — щелочи нет), а выходной сигнал определяется по подвижности бота, которую можно оценить с помощью оптического микроскопа (0 — бот стоит на месте, 1 — двигается). С такими условиями получается, что вся система работает точь-в-точь как логический оператор ИЛИ: если в систему ничего не прикапывается, пузыри образуются хаотично со всех сторон от бота и он стоит на месте (0∨0 → 0), а во всех остальных случаях кусочек шампиньона направленно перемещается (1∨0 → 1, 0∨1 → 1, 1∨1 → 1).
Аналогичным образом в этой системе можно организовать операторы следствия, отрицания или даже каскады из нескольких элементов — в классической полупроводниковой электронике для этого нужны резисторы, конденсаторы и прочие плохо совместимые с живой материей элементы, а здесь все обходится гораздо легче. Конечно, пока сложно представить, как именно эта система может устойчиво заниматься вычислением более серьезных задач, но авторы верят в успех и говорят, что новый подход как минимум поможет им понять механику принятия решений при движении различных микроорганизмов или, например, сперматозоидов.
В химии есть кольцевые молекулы, которые строятся не только за счет химических связей, но еще и зацепляются друг за друга и механически удерживаются вместе, как звенья миниатюрной цепи. Немецкие и американские ученые сделали из таких колец на основе ДНК молекулярный «поезд» и пустили его по нанорельсам.
В системе было четыре главных компонента: статор — неподвижное ДНК-кольцо из 168 пар нуклеотидов, ротор — сцепленное со статором подвижное кольцо на 210 пар нуклеотидов, привод — молекула РНК-полимеразы, с одной стороны жестко закрепленная на статоре, а с другой — бегающая по кольцу ротора и тем самым приводящая ее в движение, и собственно рельсы — протяженная нанотрубка из ДНК с пришитыми вдоль нее на определенных расстояниях олигонуклеотидами.
Фермент РНК-полимеразы выполнял сразу две принципиальные функции: он не только непрерывно синтезировал РНК и тем давал энергию для движения системы, но еще и цеплялся к рельсам из ДНК-нанотрубок. То есть сначала статор мотора был сцеплен химической связью с ДНК-нанотрубкой в одном месте, но постепенно полимераза синтезировала все более и более длинный хвост РНК, тот зацеплялся со специфической отметкой олигонуклеотида на ДНК-нанотрубке и перебрасывал всю конструкцию мотора в новое положение.
Молекулярный мотор размером около 30 нанометров в поперечнике способен преодолевать дистанцию до 240 нанометров, скорость вращения ротора — около 0,1 оборота в минуту, средняя скорость передвижения — примерно 0,2 нанометра в секунду. Это пока совсем скромно для адресной доставки лекарств, но до этого так четко направить движение молекулярного мотора никому не удавалось. Дальше ученые обещают не только удлинять и усложнять маршрут, но и поработать над скоростью его прохождения.
Еще одни китайские ученые могли легко запутать неподготовленного читателя: сначала они сделали автономную электронную кожу, а потом показали, что она может выполнять функции сетчатки и даже способна влиять на движения крыс. Кожа и сетчатка одновременно — звучит как какая-то бессмыслица. Но в действительности слова исследователей вполне обоснованы — просто под термином «электронная кожа» традиционно понимается очень широкий круг гибких материалов, способных хоть как-то принимать, обрабатывать или передавать сигналы.
У китайцев кожей был полимерный композит из непроводящего полидиметилсилоксана и проводящего полипиррола, нанесенный на медную подложку. Такая система обладала двумя важными свойствами. Во-первых, она могла генерировать электрические импульсы за счет трибоэлектрического эффекта (от контакта между полипироллом и полидиметилсилоксана в них накапливались статические заряды, которые через медную подложку уходили во внешнюю цепь), а во-вторых, обладала светочувствительностью (под действием света в полипиролле появлялись дополнительные свободные носители заряда, и из-за этого величина трибоэлектрического эффекта, то есть сила тока, утекающего во внешнюю цепь от трения двух полимеров, уменьшалась). Поэтому на основе такой полимерной кожи и пробовали сделать искусственную сетчатку, которая, по задумке, должна как раз принимать световые сигналы, обрабатывать их и переводить их в нервные импульсы.
Свою идею китайцы опробовали в трех последовательных экспериментах. Сначала они показали, что массив из 64 таких светочувствительных сенсоров, расположенных матрицей 8 на 8 элементов, способен перевести в электрические сигналы простейшую надпись из трех букв — N, E, U. Потом они расположили свое устройство на виске одного из испытуемых и показали, что даже моргания глаза достаточно для того, чтобы запустить трибоэлектрический эффект и запитать искусственную сетчатку. И наконец, в третьем эксперименте исследователи использовали одновременно пять массивов сенсоров и сигналы с них через электроды направили в моторную кору головного мозга подопытных мышей, чтобы проследить, могут ли искусственные сигналы повлиять на поведение живого грызуна.
Полный успех: хвосты мышей дергались вместе с циклической сменой освещенности, то есть сигналы от полимерной сетчаткой оказались вполне совместимы с живыми организмами. Так что теперь авторы мечтают о большем — сделать устройства для восстановления утраченного зрения или даже расширения возможностей человека, например добавления способности видеть в ультрафиолете.
Михаил Петров