Использование проводящих пилей бактерий Geobacter sulfurreducens позволило многократно уменьшить рабочее напряжение мемристоров до 50 милливольт. Маленькое напряжение позволяет использовать такие устройства в качестве искусственных нейронов, подключаемых напрямую к живым нервным цепям, что поможет в создании эффективного нейроинтерфейса.

Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Мозг животных, хотя и уступает компьютеру в арифметических операциях, гораздо эффективнее его в решении обычных бытовых проблем, таких как распознавание образов. Искусственные нейросети, по сути, программным образом имитируют работу живых нейронных сетей. Если бы процессор не эмулировал работу нейронной сети, а сам работал по ее принципу на физическом уровне, это бы существенно увеличило производительность.

В качестве основы потенциального нейроморфного процессора ученые рассматривают мемристоры — устройства, проводимость которых кратковременно увеличивается под действием электрических импульсов, что делает их функционально схожими с нейронами. Кроме того, с их помощью можно создавать нейроинтерфейсы. Проблема в том, что рабочее напряжение мемристоров, под действием которого они начинают увеличивать проводимость, лежит в диапазоне 0,2–2 вольт, а типичный биоток составляет всего около 50 милливольт, поэтому их невозможно подключать к нервам напрямую без преобразователей.

Тианда Фу (Tianda Fu) из Массачусетского университета (UMASS) и ее коллеги придумали, как снизить рабочее напряжение мемристоров. Обычно, в них за увеличение проводимости отвечает следующий процесс: на аноде металл окисляется до положительного иона, перетекает на катод, и на катоде восстанавливается до нейтрального.

Схема работы мемристора: ионы переходят с одного электрода на другой / Fu et al. / Nature Communications, 2020

Атомы используемых металлов, например, серебра, легко окисляются до ионов, но гораздо хуже восстанавливаются, и чтобы это изменить нужен катализатор.

Бактерии Geobacter sulfurreducens окружены проводящими наноразмерыми пилями (ворсинками), которые они используют для обмена электронами с минералами и другими клетками. Для данного исследователя эти ворсинки были интересны тем, что они способствуют восстановлению металлов.

Fu et al. / Nature Communications, 2020

Пили собрали с бактерий, и поместили в 200-нанометровый зазор между серебряными катодом и анодом. Получившийся мемристор кратковременно переходил в состояние с низким сопротивлением при напряжении в 60 милливольт, после чего спонтанно возвращался к предыдущему состоянию. Это напряжение в три раза меньше чем у самого низковольтного мемристора из существующих и позволяет считывать им биотоки напрямую. Авторы считают, что в дальнейшем на подобной элементарной базе можно будет создавать процессоры, не требующие внешнего питания, а подключенные только к человеческим нервам и являющиеся их продолжением.