Компьютер с влажным ПО - Википедия - Wetware computer

Разнообразие морфологии нейронов в слуховая кора

А влажный компьютер является органический компьютер (который также может быть известен как искусственный органический мозг или нейрокомпьютер) состоящий из органических материалов, таких как живые нейроны.[1] Компьютеры Wetware, состоящие из нейронов, отличаются от обычных компьютеров, потому что они, как считается, способны «думать самостоятельно» из-за динамической природы нейронов.[2] Хотя «мокрое ПО» по-прежнему в значительной степени концептуально, успехи в конструировании и прототипировании были ограниченными, что послужило доказательством реалистичного применения концепции в вычислениях в будущем. Наиболее известные прототипы возникли в результате исследований, проведенных инженером-биологом Уильямом Дитто во время его пребывания в Технологический институт Джорджии.[3] Его работа по созданию простого нейрокомпьютера, способного добавление из пиявка нейроны в 1999 году стали значительным открытием для этой концепции. Это исследование послужило основным примером, вызвавшим интерес к созданию искусственно построенных, но все же органических мозги.

Обзор

Концепция «мокрого ПО» представляет особый интерес в области компьютерного производства. Закон Мура, в котором говорится, что количество транзисторы который можно разместить на кремниевый чип удваивается примерно каждые два года, десятилетиями служила целью отрасли, но по мере того, как размер компьютеров продолжает уменьшаться, способность достичь этой цели становится все труднее, угрожая выйти на плато.[4] Из-за сложности уменьшения размера компьютеров из-за ограничений размера транзисторы и интегральные схемы, wetware представляет собой нетрадиционную альтернативу. Компьютер с программным обеспечением, состоящий из нейронов, является идеальной концепцией, потому что в отличие от обычных материалов, которые работают в двоичный (вкл. / выкл.) нейрон может переключаться между тысячами состояний, постоянно изменяя свое химическая конформация, и перенаправления электрических импульсов через более чем 200 000 каналов в любом из его многочисленных синаптических соединений.[3] Из-за такой большой разницы в возможных параметрах настройки для любого нейрона по сравнению с ограничениями двоичного кода обычных компьютеров ограничения по пространству намного меньше.[3]

Фон

Концепция влажной посуды отличается и нетрадиционна, и вызывает небольшой отклик у обоих. аппаратное обеспечение и программного обеспечения от обычных компьютеров. Пока аппаратное обеспечение понимается как физическая архитектура традиционных вычислительных устройств, построенных из электрических схем и силиконовых пластин, программного обеспечения представляет собой закодированную архитектуру хранения и инструкций. Wetware - это отдельная концепция, которая использует формирование органических молекул, в основном сложных клеточных структур (таких как нейроны), для создания вычислительного устройства, такого как компьютер. В программном обеспечении идеи аппаратного и программного обеспечения взаимосвязаны и взаимозависимы. Молекулярный и химический состав органической или биологической структуры будет представлять не только физическую структуру влажного ПО, но и программное обеспечение, которое постоянно перепрограммируется дискретными сдвигами в электрических импульсах и градиентами химической концентрации по мере того, как молекулы изменяют свою структуру для передачи сигналов. Чувствительность клетки, белков и молекул к изменению конформаций как внутри их собственных структур, так и вокруг них, связывает воедино идею внутреннего программирования и внешней структуры таким образом, который чужд нынешней модели традиционной компьютерной архитектуры.[1]

Структура программного обеспечения представляет собой модель, в которой внешняя структура и внутреннее программирование взаимозависимы и унифицированы; Это означает, что изменения в программировании или внутренней связи между молекулами устройства будут представлять физическое изменение в структуре. Динамическая природа влажного оборудования заимствована из функции сложных клеточных структур в биологических организмах. Комбинация «аппаратного обеспечения» и «программного обеспечения» в одну динамическую и взаимозависимую систему, которая использует органические молекулы и комплексы для создания нетрадиционной модели вычислительных устройств, является конкретным примером прикладной биоробототехника.

Клетка как модель посуды

Клетки во многих отношениях можно рассматривать как отдельную форму естественного влажного ПО, аналогично концепции, согласно которой человеческий мозг является уже существующей модельной системой для сложного влажного ПО. В его книге Wetware: компьютер в каждой живой клетке (2009) Деннис Брей объясняет свою теорию о том, что клетки, которые являются самой основной формой жизни, представляют собой всего лишь очень сложную вычислительную структуру, подобную компьютеру. Чтобы упростить один из его аргументов, ячейку можно рассматривать как тип компьютера, использующего свою собственную структурированную архитектуру. В этой архитектуре, как и в традиционном компьютере, многие более мелкие компоненты работают в тандеме для получения ввода, обработки информации и вычисления вывода. В чрезмерно упрощенном, нетехническом анализе клеточная функция может быть разбита на следующие компоненты: информация и инструкции для выполнения хранятся в клетке в виде ДНК, РНК действует как источник четко закодированных входных данных, обрабатываемых рибосомами и другими факторами транскрипции. для доступа и обработки ДНК и для вывода белка. Аргумент Брея в пользу рассмотрения клеток и клеточных структур как моделей естественных вычислительных устройств важен при рассмотрении более прикладных теорий влажного ПО по отношению к биоробототехнике.[1]

Биоробототехника

Влажное ПО и биороботика - это тесно связанные концепции, которые заимствованы из схожих общих принципов. Биороботическая структура может быть определена как система, смоделированная на основе уже существующего органического комплекса или модели, такой как клетки (нейроны) или более сложных структур, таких как органы (мозг) или целые организмы.[5] В отличие от влажного ПО концепция биороботики не всегда представляет собой систему, состоящую из органических молекул, но вместо этого может состоять из обычного материала, который разработан и собран в структуру, аналогичную или полученную из биологической модели. Биороботика имеет множество применений и используется для решения проблем традиционной компьютерной архитектуры. Концептуально проектирование программы, робота или вычислительного устройства на основе существовавшей ранее биологической модели, такой как клетка или даже целый организм, дает инженеру или программисту преимущества включения в структуру эволюционных преимуществ модели.[6]

Приложения и цели

Базовый нейрокомпьютер, состоящий из нейронов пиявки

В 1999 году Уильям Дитто и его команда исследователей из Технологический институт Джорджии и Университет Эмори создали базовую форму влажного компьютера, которую можно просто дополнить, используя пиявка нейроны.[3] Пиявки использовались в качестве модельных организмов из-за большого размера их нейрона и простоты, связанной с их сбором и манипуляциями. Компьютер смог завершить базовое добавление с помощью электрических датчиков, вставленных в нейрон. Однако манипулирование электрическими токами через нейроны было нетривиальным достижением. В отличие от традиционной компьютерной архитектуры, которая основана на двоичных состояниях включения / выключения, нейроны могут существовать в тысячах состояний и взаимодействовать друг с другом через синаптические соединения, каждое из которых содержит более 200 000 каналов.[7] Каждый может быть динамически сдвинут в процессе, называемом самоорганизация постоянно формировать и реформировать новые связи. Обычная компьютерная программа под названием динамический зажим был написан Ева Мардер, нейробиолог в Университет Брандейса который был способен считывать электрические импульсы от нейронов в реальном времени и интерпретировать их. Эта программа использовалась для манипулирования электрическими сигналами, поступающими в нейроны, для представления чисел и для связи друг с другом для возврата суммы. Хотя этот компьютер является очень простым примером структуры программного обеспечения, он представляет собой небольшой пример с меньшим количеством нейронов, чем в более сложном органе. Дитто считает, что при увеличении количества присутствующих нейронов хаотические сигналы, передаваемые между ними, будут самоорганизовываться в более структурированный паттерн, такой как регуляция сердечных нейронов в постоянное сердцебиение, обнаруживаемое у людей и других живых организмов.[3]

Биологические модели для обычных вычислений

После своей работы по созданию базового компьютера из нейронов пиявки, Дитто продолжал работать не только с органическими молекулами и программным обеспечением, но и над концепцией применения хаотической природы биологических систем и органических молекул к обычным материалам и логическим воротам. Хаотические системы имеют преимущества для генерации шаблонов и вычисления функций более высокого порядка, таких как память, арифметическая логика и операции ввода / вывода.[8] В своей статье Создание хаотического компьютерного чипа Дитто обсуждает преимущества использования хаотических систем в программировании с их большей чувствительностью к отклику и изменению конфигурации логических вентилей в его концептуальном хаотическом чипе. Основное различие между хаотической компьютерной микросхемой и обычной компьютерной микросхемой - это реконфигурируемость хаотической системы. В отличие от традиционного компьютерного чипа, в котором программируемый элемент логической матрицы должен быть перенастроен путем переключения множества одноцелевых логических вентилей, хаотический чип может перенастроить все логические вентили посредством управления шаблоном, генерируемым нелинейным хаотическим элементом. .[8]

Влияние программного обеспечения на когнитивную биологию

Когнитивная биология оценивает познание как основная биологическая функция. В. Текумсе Fitch, профессор когнитивной биологии Венский университет, является ведущим теоретиком идей клеточной интенциональности. Идея состоит в том, что не только целые организмы обладают чувством «близости» интенциональности, но и что отдельные клетки также несут чувство интенциональности через способность клеток адаптироваться и реорганизовываться в ответ на определенные стимулы.[9] Fitch обсуждает идею нано-интенциональности, особенно в отношении нейронов, в их способности корректировать перестройки для создания нейронных сетей. Он обсуждает способность клеток, таких как нейроны, независимо реагировать на стимулы, такие как повреждение, как то, что он считает «внутренней интенциональностью» в клетках, объясняя, что «на гораздо более простом уровне, чем интенциональность на когнитивном уровне человека, я предполагают, что эта базовая способность живых существ [реакция на стимулы] обеспечивает необходимые строительные блоки для познания и интенциональности более высокого порядка ».[9] Fitch описывает ценность своих исследований для конкретных областей информатики, таких как искусственный интеллект и компьютерная архитектура. Он заявляет, что «[I] если исследователь стремится создать сознательную машину, выполнение этого с помощью жестких переключателей (будь то электронные лампы или статические кремниевые чипы) - это не то дерево».[9] Fitch считает, что важным аспектом развития таких областей, как искусственный интеллект, является программное обеспечение с наноразмерной направленностью и автономной способностью адаптироваться и реструктурировать себя.

В обзоре вышеупомянутого исследования, проведенного Fitch, Дэниел Деннет, профессор Университета Тафтса, обсуждает важность различия между концепцией оборудования и программного обеспечения при оценке идеи влажного ПО и органических материалов, таких как нейроны. Деннет обсуждает ценность наблюдения за человеческим мозгом как на уже существующем примере «влажного ПО». Он считает, что мозг обладает «способностью кремниевого компьютера брать на себя неограниченное количество временных когнитивных ролей».[10] Деннет не согласен с Fitch в некоторых областях, таких как соотношение программного и аппаратного обеспечения с программным обеспечением, а также на то, на что может быть способна машина с программным обеспечением. Деннет подчеркивает важность дополнительных исследований человеческого познания, чтобы лучше понять внутренний механизм, с помощью которого может работать человеческий мозг, чтобы лучше создать органический компьютер.[10]

Будущие приложения

Подполе органических компьютеров и программного обеспечения все еще остается в значительной степени гипотетическим и находится на предварительной стадии. Несмотря на то, что с момента появления калькулятора на основе нейронов, разработанного Дитто в 1990-х годах, в создании органического компьютера еще не произошло серьезных изменений, исследования продолжают продвигать эту область вперед. Такие проекты, как моделирование хаотических путей в кремниевых микросхемах Ditto, сделали новые открытия в способах организации традиционных кремниевых микросхем и структурирования компьютерной архитектуры, чтобы сделать ее более эффективной и лучше структурированной.[8] Идеи, возникающие в области когнитивной биологии, также помогают продолжать продвигать открытия в способах структурирования систем для искусственного интеллекта, чтобы лучше имитировать ранее существовавшие системы у людей.[9]

В предлагаемом грибковом компьютере с использованием Базидиомицеты информация представлена ​​всплесками электрической активности, вычисление реализовано в мицелий сеть, а интерфейс реализован через плодовые тела.[11]

Смотрите также

внешняя ссылка

Рекомендации

  1. ^ а б c Брей, Деннис (2009). Wetware: компьютер в каждой живой клетке. Издательство Йельского университета. ISBN  9780300155440.
  2. ^ «Родился биологический компьютер». Новости BBC. 2 июня 1999 г.. Получено 24 октября, 2017.
  3. ^ а б c d е Sincell, Марк. «Технологии будущего». Обнаружить. Получено 2018-02-06.
  4. ^ Попкин, Габриэль (15 февраля 2015 г.). "Закон Мура вот-вот станет странным". Наутилис. Получено 25 октября, 2017.
  5. ^ Ljspeert, Auke (10 октября 2014 г.). «Биороботика: использование роботов для имитации и исследования маневренности». Наука. 346 (6206): 196–203. Bibcode:2014Научный ... 346..196I. Дои:10.1126 / science.1254486. PMID  25301621. S2CID  42734749.
  6. ^ Триммер, Бары (12 ноября 2008 г.). «Новые задачи в биоробототехнике: включение мягких тканей в системы управления». Прикладная бионика и биомеханика. 5 (3): 119–126. Дои:10.1155/2008/505213.
  7. ^ Лей, Джордж; Сингх, Хемант Кумар; Эльсайед, Сабер (2016-11-08). Интеллектуальные и эволюционные системы: 20-й симпозиум в Азиатско-Тихоокеанском регионе, IES 2016, Канберра, Австралия, ноябрь 2016 г., Материалы. Springer. ISBN  9783319490496.
  8. ^ а б c То же, Уильям. «Строительство хаотического компьютерного чипа» (PDF). Получено 24 октября, 2017.
  9. ^ а б c d Fitch, W. Tecumseh (25 августа 2007 г.). «Нано-интенциональность: защита внутренней интенциональности». Springer.
  10. ^ а б Деннетт, Д. (2014). «Различие в программном и влажном ПО». Обзоры физики жизни. 11 (3): 367–368. Дои:10.1016 / j.plrev.2014.05.009. PMID  24998042.
  11. ^ Адамацки, Эндрю (2018-12-06). «К грибковому компьютеру». Фокус интерфейса. 8 (6): 20180029. Дои:10.1098 / рсфс.2018.0029. ISSN  2042-8898. ЧВК  6227805. PMID  30443330.