Про собак Павлова и выработанные у них условные рефлексы знают, наверное, все. С животными много раз повторяли одни и те же действия: сначала они слышали звон колокольчика (это был условный стимул), а потом им показывали кусок мяса (безусловный стимул), который предсказуемо вызывал у собак повышенное слюноотделение. Со временем условный и безусловный стимулы сцеплялись в сознании животного и собака начинала готовиться к пище сразу по звону колокольчика, даже если после этого никакого мяса не видела, то есть приобретала условный рефлекс, основанный только на «жизненном опыте».
Эти эксперименты проводили еще в конце XIX века, а теперь ученые пробуют воспроизвести мышление живых существ в электронике, используя для этого мемристоры — электронные компоненты, работа которых напоминает работу нейронов (и мемристоры, и нейроны могут менять свою проводимость в зависимости от прошедших через них сигналов). На мемристорах уже сымитировали разные виды памяти, а теперь китайские и немецкие ученые сформировали у них такие же условные рефлексы, как у знаменитых собак Павлова.
Исследователи использовали мемристор на основе пленки титаната стронция SrTiO3, которая с одной стороны контактировала с никелем (Ni), а с другой — с титаном (Ti). Эта структура многократно увеличивает свою проводимость с приложением небольшого напряжения в 4,5 В, а «переключается» обратно, в непроводящее состояние, только с приложением отрицательного напряжения в -5 В. В отсутствие напряжения, в «отключенном» состоянии, мемристор может сохранять свою проводимость в течение нескольких часов.
Потом к Ni и Ti подвели электроды, а весь мемристор последовательно соединили с резистором так, чтобы сигнал с Ni-электрода мог попасть на резистор прямиком (это был «безусловный стимул»), а с Ti-электрода — только через мемристор («условный стимул»). О возбуждении системы судили по потенциалу на резисторе: если он был больше 45 мВ, то считалось, что у «электронной собаки» течет слюна.
Работу системы проверяли с помощью тестовых сигналов амплитудой в 300 мВ. Изначально мемристор находился в непроводящем состоянии, и поэтому вызвать «возбуждение» на резисторе можно было только с помощью безусловного сигнала, который подавался на Ni-электрод, точно так же, как раздразнить обычную собаку можно только куском мяса, а не звоном колокольчика.
После этого начиналось обучение системы. На оба электрода подавали специфические сигналы, переводившие мемристор в проводящее состояние: ученые одновременно и звонили в «электронный колокольчик», и показывали «электронное мясо», после чего возбудить систему могли уже и одиночные маленькие импульсы на Ti-электроде.
От эксперимента к эксперименту исследователи меняли параметры обучения:
- увеличивали временной зазор между электрическими импульсами условного и безусловного стимула — оказалось, что для обучения системы условный стимул должен идти перед безусловным, а оптимальный зазор между ними составляет 2-4 мс — так же, как звонок должен звенеть незадолго до появления мяса;
- меняли временной интервал между актами обучениями: следующие импульсы пускали через 0, 50, 100 и 200 секунд после предыдущих, и чем больше был интервал, тем медленнее обучалась система — точно так же регулярность и частота повторения актов «звонок-мясо» повышает скорость обучения у собак;
- увеличивали количество циклов обучения — чем больше циклов проходило, тем дольше мемристор был в проводящем состоянии и тем медленнее забывался условный рефлекс.
Так ученые с помощью сравнительно простой схемы воспроизвели самые характерные черты безусловных рефлексов собак Павлова.
В идеальном случае наука не только занимается фундаментальными вопросами, но и ищет практические решения для насущных проблем. Поэтому не удивительно, что бактерии, ищущие взрывчатку, придумали именно в Израиле.
Новые миниатюрные саперы — это генномодифицированные кишечные палочки E. Coli, у которых в присутствии взрывчатки тринитротолуола или продуктов его распада запускается синтез специфического флуоресцентного белка. Ученые построили оптоэлектронную систему для улавливания этого свечения и начали полевые испытания.
На прямоугольном поле размерами в 3,8 на 1,1 метра они закопали мины, а также несколько пластиковых контейнеров, в некоторых из которых были только земля или песок, а в других — земля и песок, смешанные со взрывчаткой. Через несколько месяцев после минирования ученые закопали еще несколько контейнеров, а потом рассыпали по полю шарики, начиненные чувствительной E. Coli (в среднем на один квадратный сантиметр попало восемь бусинок).
Полисахаридная оболочка шариков была полупроницаемой, и со временем взрывчатые вещества просочились сквозь нее, а шарики стали светиться. Через 22 часа ученые с помощью оптической системы на расстоянии 20 метров от поля «сняли» картину свечения поля, вычли из нее фон, снятый сразу после рассыпания шариков, и в результате смогли найти все объекты со взрывчаткой, кроме свежезакопанных контейнеров — оттуда тринитротолуол еще не смог пробраться в верхние слои почвы.
Осязание, возможно, самое неуловимое из всех чувств. Мы хорошо умеем записывать звуки и визуальные образы, неплохо справляемся с «воспроизведением» определенных запахов или вкусов, но для тактильных ощущений часто даже не можем подобрать верных слов. Ученые исправляют эту ситуацию. Они изучают десятки рецепторов и механизмов, порождающих наши тактильные ощущения, и даже пробуют научить осязанию протезы. В новом исследовании сингапурские инженеры создали искусственную кожу, способную читать шрифт Брайля.
Их разработка имитирует работу одного из видов тактильных рецепторов — медленно адаптирующихся механорецепторов, которые лежат в эпидермисе и отвечают за распознавание «грубости» текстур в пределах 0,5 мм.
Сингапурская искусственная кожа — это плотная пленка из силиконового пластика толщиной 1 мм. В центре этой пленки нарощен куполообразный бугорок высотой 1,5 мм, заполненный электропроводящей жидкостью. От купола отходят два дугообразных канала (каждый шириной 100 мкм и глубиной 120 мкм), которые упираются в маленькие резервуары, где тоже может скапливаться жидкость.
Эта система распознает рельеф поверхности за счет изменений своего электрического сопротивления. Когда бугорок находит на препятствие, он продавливается, под давлением электропроводящая жидкость растекается по каналам к резервуарам, что приводит к заметному увеличению сопротивления системы.
В своей работе ученые сделали множество подготовительных экспериментов:
- прикладывали различные давления — и нашли линейную зависимость: чем больше было давление, тем больше сопротивление;
- водили искусственной кожей по поверхностям разной «грубости» — предел разрешения системы оказалась на уровне 0,5 мм;
- меняли диаметр чувствительного купола — чем он был меньше, тем выше было разрешение «тактильного» электрического сигнала;
- пробовали распознавать разные текстуры: поверхности с клинообразными и закругленными неровностями.
После этого в пленку встроили модуль для беспроводной передачи данных и намотали ее на указательный палец человека. В первом «полевом» эксперименте испытуемый водил по боковой поверхности бутылочных крышек с разным рельефом и по получавшимся профилям электрического сопротивления крышки можно было легко отличить друг от друга.
Потом электронную кожу проверили на более сложном задании — трех буквах (N, U, S), записанных шеститотечным шрифтом Брайля (каждая буква кодировалась двумя рядами по три точки). Человек постепенно проходил каждый ряд сверху вниз, и в результате из получившегося сигнала можно было однозначно восстановить все три буквы.
Шведы из Университета Линчёпинга очень любят эксперименты с растениями. Два года назад они закачали в розы электропроводящие полимеры и собрали внутри цветов простейшие логические схемы, потом похожим образом сделали внутри роз суперконденсаторы, а теперь шведы научились с помощью электроники управлять ростом корня резуховидки Arabidopsis thaliana.
В новой работе ученых все завязано на фитогормоне ауксине, который регулирует самые разные процессы в организме растений — от эмбриогенеза и морфогенеза до роста корневых волосков. Сегодня существует уже много методов для «закачивания» ауксина внутрь растений (спреи, добавки в почву или микрофлюидные системы), но все они недостаточно точные.
Вместо этого шведы использовали электропроводящие полимеры, а точнее органический электронный ионный насос — устройство, в котором с помощью электрического тока можно управлять потоком ионов или небольших молекул. Они синтезировали разветвленный полимер, который формировал каналы, идеально подходившие для ауксина, сделали на его основе насос и начали эксперимент.
В предварительных испытаниях ученые показали, что их устройство с приложением очень маленького тока в 1 мкА может «накачивать» потоки фитогормона, достаточные для изменения поведения растений. Потом шведы высадили саженец резуховидки в питательную среду агар-агара и подвели сбоку к его корню насос и лазерный микроскоп, фиксировавший положение корня. Поток ауксина достоверно замедлил развитие корня уже через 15 минут после начала эксперимента, а уже через час скорость роста корня уменьшилась почти в два раза (без насоса она составляет 4,7 микрометра в минуту, с насососом — 2,4 микрометра).
До этого шведы не раз писали, что с помощью электропроводящих полимеров, способных проводить как ионные токи, характерные для живых организмов, так и обычные токи электронов и дырок, управляющие нашей электроникой, рано или поздно можно будет практически в реальном времени управлять физиологическими процессами. Теперь их обещания начинают сбываться.
Михаил Петров