Eerste experimentele bewijs voor breinachtige computer op water en zout

Theoretisch natuurkundigen van de Universiteit Utrecht zijn er, samen met experimenteel natuurkundigen van de Sogang University in Zuid-Korea, in geslaagd om een kunstmatige synaps te bouwen. Deze synaps werkt op basis van water en zout en vormt het eerste bewijs dat een dergelijk systeem complexe informatie kan verwerken in hetzelfde medium als onze hersenen. De resultaten verschenen vandaag in het wetenschappelijke journal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

In pogingen om traditionele computers efficiënter en energiezuiniger te maken, kijken wetenschappers al jarenlang naar het menselijk brein. Ze proberen op allerlei manieren de ongeëvenaarde capaciteit van onze hersenen te imiteren. Deze breinachtige computers zijn volop in ontwikkeling en verwerken informatie niet binair, maar analoog, net als onze hersenen. Echter, men gebruikt voor deze nieuwe generatie computers voornamelijk traditionele vaste materialen, terwijl onze hersenen werken op basis van water en opgelost zout, oftewel ionen. Zouden we ons brein niet veel nauwkeuriger kunnen nabootsen als we ook hetzelfde medium gebruiken? Dit is precies wat wetenschappers in het piepjonge onderzoeksveld iontronic neuromorpic computing aan het onderzoeken zijn.

Kunstmatige synaps

In de studie die vandaag verscheen in PNAS tonen wetenschappers voor het eerst aan dat een systeem op basis van water en zout inderdaad complexe informatie kan verwerken op een manier die is geïnspireerd door onze hersenen. Het gaat om een zeer klein apparaatje, 150 bij 200 micrometer, dat zich gedraagt als een synaps, die in onze hersenen een signaal overbrengt van de ene naar de andere hersencel. “Kunstmatige synapsen die in staat zijn complexe informatie te verwerken bestaan al op basis van vaste materialen, maar wij zijn de eersten die laten zien dat het ook kan met water en zout”, zegt Tim Kamsma enthousiast. Hij is promovendus aan het Instituut voor Theoretische Fysica en aan het Mathematisch Instituut van de Universiteit Utrecht en eerste auteur van de publicatie. “We reproduceren neuronaal gedrag met een systeem dat gebruik maakt van hetzelfde medium als de hersenen.”

Misschien leidt dit uiteindelijk tot een computer die de waanzinnige capaciteiten van het brein beter kan nabootsen

Ionentransport

Het apparaatje dat de wetenschappers in Korea bouwden, ook wel een iontronic memristor genoemd, bestaat uit een kegelvormig microkanaaltje gevuld met water en zout. Wanneer de wetenschappers het apparaatje elektrische impulsjes geven, bewegen ionen door de vloeistof waardoor concentratieveranderingen ontstaan. Afhankelijk van de sterkte van het impulsje, wordt het kanaaltje meer of minder geleidend, net zoals de verbindingen tussen neuronen sterker of zwakker worden. De mate van geleidheid kan worden gemeten en representeert dus de input.

Een veelbelovende extra ontdekking is dat hoe langer het kanaaltje is, hoe langer het duurt voordat de veranderingen in concentratie worden opgeheven. “Dit betekent dat we kanalen kunnen ontwerpen die informatie voor verschillende tijdsduren kunnen vasthouden en verwerken, wederom vergelijkbaar met de synapsen in onze hersenen”, licht Kamsma toe.

Heel gaaf

De ontdekking vindt haar oorsprong in een idee van Kamsma, die nog niet zo lang geleden begon met zijn promotieonderzoek. Dat idee, over hoe je kunstmatige ionkanalen kunt inzetten om classificatietaken uit te voeren, werkte hij uit in een theoretisch model. “In een mooie samenval van omstandigheden kwamen we op dat moment in contact met de groep in Zuid-Korea”, vertelt Kamsma. “De groep was erg enthousiast over mijn theorie en is ermee aan de slag gegaan in het lab.” Drie maanden later volgden de eerste resultaten en die lieten bijna precies zien wat Kamsma’s theorie voorspelde. “Ik dacht echt: wow!”, zegt hij. “Het is heel gaaf dat iets wat wij hier op papier voorspelden, ook echt wordt gevonden in de praktijk en leidt tot deze prachtige experimentele resultaten.”

Aanzienlijke stap

Kamsma benadrukt dat het onderzoek zeer fundamenteel is en dat iontronic neuromorphic computing, hoewel explosief aan het groeien, echt nog in de kinderschoenen staat. De belofte is een computer die veel efficiënter en energiezuiniger is dan de computers van vandaag, maar of dat inderdaad zo uitpakt, is nu nog speculatief. Toch is er wat hem betreft flink wat vooruitgang geboekt met deze publicatie. “Het is een aanzienlijke stap richting computers die niet alleen communiceren als het menselijk brein, maar ook hetzelfde medium gebruiken als het menselijk brein”, zegt hij. “Misschien leidt dit uiteindelijk tot een computer die de waanzinnige capaciteiten van het brein beter kan nabootsen.”

Het promotieonderzoek van Tim Kamsma wordt gefinancierd door de Science for Sustainability-community van de Universiteit Utrecht. Met het programma voor promovendi geeft de community een impuls aan interdisciplinair, fundamenteel onderzoek op het gebied van duurzaamheid.