Počítač Wetware - Wetware computer

Diverzita neuronálních morfologií ve sluchové kůře

Počítač wetware je organický počítač (který může být také známý jako umělý organický mozek nebo neuropočítač ) složený z organického materiálu, jako jsou živé neurony . Počítače Wetware složené z neuronů se liší od konvenčních počítačů, protože se o nich předpokládá, že jsou schopné „myslet na sebe“ kvůli dynamické povaze neuronů. Zatímco wetware je stále do značné míry koncepční, došlo k omezenému úspěchu s konstrukcí a prototypováním, které fungovalo jako důkaz realistické aplikace konceptu na výpočetní techniku ​​v budoucnu. Nejpozoruhodnější prototypy pocházejí z výzkumu, který dokončil biologický inženýr William Ditto během svého působení vGruzínský technologický institut . Jeho práce na konstrukci jednoduchého neuropočítače schopného základního sčítání z neuronů pijavice v roce 1999 byla pro tento koncept významným objevem. Tento výzkum fungoval jako primární příklad podněcování zájmu o vytvoření těchto uměle vytvořených, ale přesto organických mozků .

Přehled

Koncept wetware je aplikace zvláštního zájmu v oblasti počítačové výroby. Mooreův zákon , který stanoví, že počet tranzistorů, které lze umístit na křemíkový čip, se zdvojnásobuje zhruba každé dva roky, působil jako cíl pro průmysl po celá desetiletí, ale jak se velikost počítačů stále snižuje, schopnost splňovat tento cíl se stal obtížnějším a hrozí dosažení náhorní plošiny. Kvůli obtížím při zmenšování velikosti počítačů z důvodu omezení velikosti tranzistorů a integrovaných obvodů poskytuje wetware nekonvenční alternativu. Počítač wetware složený z neuronů je ideálním konceptem, protože na rozdíl od běžných materiálů, které pracují v binárním (zapnuto / vypnuto), může se neuron přepínat mezi tisíci stavy, neustále měnit svou chemickou konformaci a přesměrovat elektrické pulsy přes více než 200 000 kanálů v jakémkoli jeho mnoha synaptických spojení. Kvůli tomuto velkému rozdílu v možných nastaveních pro libovolný neuron, ve srovnání s binárními omezeními konvenčních počítačů, jsou prostorová omezení mnohem menší.

Pozadí

Koncept wetware je zřetelný a nekonvenční a z běžných počítačů čerpá mírnou rezonanci s hardwarem i softwarem . Zatímco hardware je chápán jako fyzická architektura tradičních výpočetních zařízení, postavená z elektrických obvodů a silikonových desek, software představuje zakódovanou architekturu úložiště a instrukcí. Wetware je samostatný koncept, který využívá k tvorbě výpočetních zařízení, jako je počítač, tvorbu organických molekul, většinou složitých buněčných struktur (například neuronů). Ve wetware jsou myšlenky hardwaru a softwaru propletené a vzájemně závislé. Molekulární a chemické složení organické nebo biologické struktury by představovalo nejen fyzickou strukturu wetware, ale také software, který by byl neustále přeprogramován diskrétními posuny elektrických pulzů a gradienty chemické koncentrace, když molekuly mění své struktury tak, aby sdělovaly signály. Reakce buňky, proteinů a molekul na měnící se konformace, a to jak v jejich vlastních strukturách, tak kolem nich, spojuje myšlenku interního programování a vnější struktury dohromady způsobem, který je cizí současnému modelu konvenční počítačové architektury.

Struktura wetware představuje model, kde vnější struktura a interní programování jsou vzájemně závislé a jednotné; což znamená, že změny programování nebo vnitřní komunikace mezi molekulami zařízení by představovaly fyzickou změnu ve struktuře. Dynamická povaha wetware si půjčuje od funkce komplexních buněčných struktur v biologických organismech. Kombinace „hardwaru“ a „softwaru“ do jednoho dynamického a vzájemně závislého systému, který využívá organické molekuly a komplexy k vytvoření nekonvenčního modelu pro výpočetní zařízení, je konkrétním příkladem aplikované biorobotiky .

Buňka jako model wetware

Na buňky lze v mnoha ohledech pohlížet jako na jejich vlastní formu přirozeně se vyskytujícího wetware, podobného konceptu, že lidský mozek je již existujícím modelovým systémem pro komplexní wetware. Ve své knize Wetware: Počítač v každé živé buňce (2009) Dennis Bray vysvětluje svou teorii, že buňky, které jsou nejzákladnější formou života, jsou jen velmi složitou výpočetní strukturou, jako je počítač. Pro zjednodušení jednoho z jeho argumentů lze buňku považovat za typ počítače využívající vlastní strukturovanou architekturu. V této architektuře, podobně jako tradiční počítač, pracuje mnoho menších komponent v tandemu, aby přijímaly vstup, zpracovávaly informace a počítaly výstup. V příliš zjednodušené netechnické analýze lze buněčnou funkci rozdělit na následující složky: Informace a pokyny k provedení jsou uloženy jako DNA v buňce, RNA působí jako zdroj pro výrazně kódovaný vstup, zpracovávána ribozomy a dalšími transkripčními faktory pro přístup a zpracování DNA a pro výstup proteinu. Brayův argument ve prospěch pohledu na buňky a buněčné struktury jako modely přírodních výpočetních zařízení je důležitý při zvažování více aplikovaných teorií wetware ve vztahu k biorobotice.

Biorobotika

Wetware a biorobotika jsou úzce související pojmy, které si oba vypůjčují z podobných celkových principů. Biorobotickou strukturu lze definovat jako systém modelovaný z již existujícího organického komplexu nebo modelu, jako jsou buňky (neurony) nebo složitější struktury, jako jsou orgány (mozek) nebo celé organismy. Na rozdíl od wetware koncept biorobotiky není vždy systém složený z organických molekul, ale místo toho by mohl být složen z konvenčního materiálu, který je navržen a sestaven ve struktuře podobné nebo odvozené z biologického modelu. Biorobotika má mnoho aplikací a používá se k řešení výzev konvenční počítačové architektury. Koncepční návrh programu, robota nebo výpočetního zařízení po již existujícím biologickém modelu, jako je buňka nebo dokonce celý organismus, poskytuje inženýrovi nebo programátorovi výhody začlenění evolučních výhod modelu do struktury.

Aplikace a cíle

Základní neuropočítač složený z neuronů pijavice

V roce 1999 William Ditto a jeho tým vědců z Georgia Institute of Technology a Emory University vytvořili základní formu počítače wetware schopného jednoduchého přidání pomocí využití pijavských neuronů. Pijavice byly použity jako modelový organismus kvůli velké velikosti jejich neuronu a snadnosti spojené s jejich sběrem a manipulací. Počítač byl schopen dokončit základní přidání pomocí elektrických sond vložených do neuronu. Manipulace s elektrickými proudy přes neurony však nebyla triviálním úspěchem. Na rozdíl od konvenční počítačové architektury, která je založena na binárních stavech zapnutí / vypnutí, jsou neurony schopné existovat v tisících stavů a ​​navzájem komunikovat prostřednictvím synaptických spojení, z nichž každý obsahuje více než 200 000 kanálů. Každý může být dynamicky posunut v procesu zvaném samoorganizace, aby neustále vytvářel a reformoval nová spojení. Konvenční počítačový program zvaný dynamická svorka napsal Eva Marder , neurobiologka z Brandeis University, která byla schopná číst elektrické pulsy z neuronů v reálném čase a interpretovat je. Tento program byl použit k manipulaci s elektrickými signály, které se vstupují do neuronů, aby reprezentovaly čísla, a ke vzájemné komunikaci za účelem vrácení součtu. I když je tento počítač velmi základním příkladem struktury wetware, představuje malý příklad s menším počtem neuronů, než jaké se nacházejí ve složitějších orgánech. Ditto má za to, že zvyšováním množství přítomných neuronů se chaotické signály vysílané mezi nimi samy organizují do strukturovanějšího vzoru, jako je regulace srdečních neuronů do neustálého srdečního rytmu u lidí a jiných živých organismů.

Biologické modely pro konvenční výpočty

Po své práci na vytvoření základního počítače z neuronů pijavice pokračoval Ditto v práci nejen s organickými molekulami a wetware, ale také s konceptem aplikace chaotické povahy biologických systémů a organických molekul na konvenční materiálové a logické brány. Chaotické systémy mají výhody pro generování vzorů a výpočet funkcí vyššího řádu, jako je paměť, aritmetická logika a operace vstupu / výstupu. Ve svém článku Konstrukce chaotického počítačového čipu Ditto pojednává o výhodách programování používání chaotických systémů s jejich větší citlivostí reagovat a překonfigurovat logické brány v jeho koncepčním chaotickém čipu. Hlavním rozdílem mezi chaotickým počítačovým čipem a konvenčním počítačovým čipem je rekonfigurovatelnost chaotického systému. Na rozdíl od tradičního počítačového čipu, kde musí být programovatelný prvek hradlového pole překonfigurován přepínáním mnoha jednoúčelových logických bran, je chaotický čip schopen překonfigurovat všechny logické brány prostřednictvím kontroly vzoru generovaného nelineárním chaotickým prvkem .

Dopad wetware v kognitivní biologii

Kognitivní biologie hodnotí poznání jako základní biologickou funkci. W. Tecumseh Fitch , profesor kognitivní biologie na vídeňské univerzitě , je předním teoretikem myšlenek buněčné intencionality. Myšlenka je, že nejen celé organismy mají pocit „pochybnosti“ o úmyslnosti, ale že jednotlivé buňky mají také smysl pro úmyslnost díky schopnosti buněk přizpůsobit se a reorganizovat v reakci na určité podněty. Fitch pojednává o myšlence nano-intencionality, zejména pokud jde o neurony, v jejich schopnosti přizpůsobit přeskupení za účelem vytvoření neuronových sítí. Diskutuje o schopnosti buněk, jako jsou neurony, reagovat nezávisle na podněty, jako je poškození, za to, co považuje za „vnitřní intencionalitu“ v buňkách, a vysvětluje, že „[by] se nacházel na mnohem jednodušší úrovni než intencionalita na lidské kognitivní úrovni,“ navrhnout, aby tato základní kapacita živých věcí [reakce na podněty] poskytla nezbytné stavební kameny pro poznání a intencionalitu vyššího řádu. “ Fitch popisuje hodnotu svého výzkumu pro konkrétní oblasti počítačové vědy, jako je umělá inteligence a počítačová architektura. Tvrdí, že „[Výzkumník si klade za cíl vytvořit vědomý stroj, který pomocí tuhých spínačů (ať už elektronek nebo statických křemíkových čipů) štěká na špatný strom.“ “ Fitch věří, že důležitým aspektem rozvoje oblastí, jako je umělá inteligence, je spojení s nano-záměrností a autonomní schopností přizpůsobit se a restrukturalizovat se.

V přehledu výše zmíněného výzkumu provedeného Fitchem Daniel Dennett, profesor na Tufts University, pojednává o důležitosti rozdílu mezi konceptem hardwaru a softwaru při hodnocení myšlenky wetware a organického materiálu, jako jsou neurony. Dennett pojednává o hodnotě pozorování lidského mozku jako již existujícího příkladu wetware. Vidí, že mozek má „kompetence křemíkového počítače převzít neomezenou škálu dočasných kognitivních rolí“. Dennett s Fitch nesouhlasí v určitých oblastech, jako je například vztah software / hardware versus wetware a to, čeho by stroj s wetware mohl být schopen. Dennett zdůrazňuje význam dalšího výzkumu lidského poznání pro lepší pochopení vnitřního mechanismu, kterým může lidský mozek fungovat, aby bylo možné lépe vytvořit organický počítač.

Budoucí aplikace

Podpole organických počítačů a wetware je stále do značné míry hypotetické a v přípravné fázi. I když od vytvoření kalkulačky založené na neuronech, kterou vyvinula společnost Ditto v 90. letech 20. století, ještě nemusí být ve vývoji organického počítače zásadní pokroky, výzkum nadále posouvá pole vpřed. Projekty, jako je modelování chaotických drah v křemíkových čipech od Ditto, přinesly nové objevy ve způsobech organizace tradičních křemíkových čipů a strukturování počítačové architektury tak, aby byla efektivnější a lépe strukturovaná. Myšlenky vycházející z oblasti kognitivní biologie také pomáhají pokračovat v prosazování objevů způsoby strukturování systémů pro umělou inteligenci, aby lépe napodobovaly již existující systémy u lidí.

V navrhovaném houbovém počítači používajícím Basidiomycetes jsou informace představovány hroty elektrické aktivity, výpočet je implementován v síti mycelia a rozhraní je realizováno prostřednictvím plodnic.

Viz také

externí odkazy

Reference