Wetware computer — это органический компьютер (который также может быть известен как искусственный органический мозг или нейрокомпьютер ), состоящий из органического материала « wetware », такого как «живые» нейроны . [1] Wetware computer, состоящие из нейронов, отличаются от обычных компьютеров, поскольку они используют биологические материалы и предлагают возможность существенно более энергоэффективных вычислений. [2] Хотя wetware computer все еще в значительной степени концептуальный, был достигнут ограниченный успех в конструировании и прототипировании, что послужило доказательством реалистичного применения концепции к вычислениям в будущем. Наиболее заметные прототипы возникли из исследования, завершенного инженером-биологом Уильямом Дитто во время его работы в Технологическом институте Джорджии . [3] Его работа по созданию простого нейрокомпьютера, способного к базовому сложению из нейронов пиявки , в 1999 году стала значительным открытием для концепции. Это исследование было основным примером, вызвавшим интерес к созданию этих искусственно сконструированных, но все еще органических мозгов .
Концепция wetware представляет собой приложение, представляющее особый интерес для области производства компьютеров. Закон Мура , который гласит, что количество транзисторов , которые могут быть размещены на кремниевом чипе , удваивается примерно каждые два года, действовал как цель для отрасли в течение десятилетий, но поскольку размер компьютеров продолжает уменьшаться, способность достичь этой цели становится все более сложной, угрожая достичь плато. [4] Из-за трудности уменьшения размера компьютеров из-за ограничений размера транзисторов и интегральных схем wetware предоставляет нетрадиционную альтернативу. Компьютер wetware, состоящий из нейронов, является идеальной концепцией, поскольку, в отличие от обычных материалов, которые работают в двоичном режиме (вкл./выкл.), нейрон может переключаться между тысячами состояний, постоянно изменяя свою химическую конформацию и перенаправляя электрические импульсы через более чем 200 000 каналов в любом из своих многочисленных синаптических соединений. [3] Из-за этой большой разницы в возможных настройках для любого нейрона, по сравнению с бинарными ограничениями обычных компьютеров, ограничения пространства гораздо меньше. [3]
Концепция wetware является отдельной и нетрадиционной и вызывает небольшой резонанс как с аппаратным , так и с программным обеспечением обычных компьютеров. В то время как аппаратное обеспечение понимается как физическая архитектура традиционных вычислительных устройств, включающая интегральные схемы и поддерживающую инфраструктуру, программное обеспечение 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 wetware идеи аппаратного и программного обеспечения переплетены и взаимозависимы. Молекулярный и химический состав органической или биологической структуры будет представлять не только физическую структуру wetware, но и программное обеспечение, постоянно перепрограммируемое дискретными сдвигами в электрических импульсах и градиентах химической концентрации, поскольку молекулы изменяют свои структуры для передачи сигналов. Реагирование клетки, белков и молекул на изменяющиеся конформации, как внутри их структур, так и вокруг них, связывает идею внутреннего программирования и внешней структуры вместе таким образом, который чужд текущей модели традиционной компьютерной архитектуры. [1]
Структура wetware представляет собой модель, в которой внешняя структура и внутреннее программирование взаимозависимы и объединены; это означает, что изменения в программировании или внутренней коммуникации между молекулами устройства будут представлять собой физическое изменение структуры. Динамическая природа wetware заимствует из функции сложных клеточных структур в биологических организмах. Объединение «аппаратного обеспечения» и «программного обеспечения» в одну динамическую и взаимозависимую систему, которая использует органические молекулы и комплексы для создания нетрадиционной модели для вычислительных устройств, является конкретным примером прикладной биоробототехники .
Клетки во многих отношениях можно рассматривать как форму естественного wetware, аналогично концепции, согласно которой человеческий мозг является предсуществующей модельной системой для сложного wetware. В своей книге Wetware: A Computer in Every Living Cell (2009) Деннис Брей объясняет свою теорию о том, что клетки, которые являются самой базовой формой жизни, являются просто очень сложной вычислительной структурой, подобной компьютеру. Чтобы упростить один из его аргументов, клетку можно рассматривать как тип компьютера, использующий его структурированную архитектуру. В этой архитектуре, во многом подобно традиционному компьютеру, множество более мелких компонентов работают в тандеме для получения входных данных, обработки информации и вычисления выходных данных. В чрезмерно упрощенном, нетехническом анализе клеточную функцию можно разбить на следующие компоненты: Информация и инструкции для выполнения хранятся в виде ДНК в клетке, РНК действует как источник для четко закодированного ввода, обрабатываемого рибосомами и другими факторами транскрипции для доступа и обработки ДНК и вывода белка. Аргумент Брея в пользу рассмотрения клеток и клеточных структур как моделей естественных вычислительных устройств важен при рассмотрении более прикладных теорий «живого» программного обеспечения для биоробототехники. [1]
Wetware и биоробототехника — это тесно связанные концепции, которые обе заимствуют из схожих общих принципов. Биороботическую структуру можно определить как систему, смоделированную из 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 wetware, концепция биоробототехники не всегда представляет собой систему, состоящую из органических молекул, но вместо этого может состоять из обычного материала, который спроектирован и собран в структуру, похожую на биологическую модель или полученную из нее. Биоробототехника имеет множество применений и используется для решения проблем традиционной компьютерной архитектуры. Концептуально проектирование программы, робота или вычислительного устройства после уже существующей биологической модели, такой как клетка или даже целый организм, дает инженеру или программисту преимущества включения в структуру эволюционных преимуществ модели. [6]
В 1999 году Уильям Дитто и его группа исследователей из Технологического института Джорджии и Университета Эмори создали базовую форму компьютера с программным обеспечением, способного выполнять простое сложение, используя нейроны пиявок . [3] Пиявки использовались в качестве модельного организма из-за большого размера их нейронов и простоты, связанной с их сбором и манипулированием. Однако эти результаты никогда не публиковались в рецензируемом журнале, что вызвало вопросы о справедливости заявлений. Компьютер был способен выполнять базовое сложение с помощью электрических зондов, вставленных в нейрон. Однако манипулирование электрическими токами через нейроны не было тривиальным достижением. В отличие от традиционной компьютерной архитектуры, которая основана на бинарных состояниях «вкл/выкл», нейроны способны существовать в тысячах состояний и общаться друг с другом через синаптические связи, каждая из которых содержит более 200 000 каналов. [7] Каждый из них может динамически переключаться в процессе, называемом самоорганизацией, для постоянного формирования и реформирования новых связей. Обычная компьютерная программа, называемая динамическим зажимом, способная считывать электрические импульсы от нейронов в реальном времени и интерпретировать их, была написана Ив Мардер , нейробиологом из Университета Брандейса . Эта программа использовалась для манипулирования электрическими сигналами, вводимыми в нейроны, для представления чисел и для связи друг с другом для возврата суммы. Хотя этот компьютер является очень простым примером структуры wetware, он представляет собой небольшой пример с меньшим количеством нейронов, чем в более сложном органе. Дитто считает, что при увеличении числа присутствующих нейронов хаотические сигналы, посылаемые между ними, будут самоорганизовываться в более структурированную модель, например, регулирование нейронов сердца в постоянное сердцебиение, обнаруженное у людей и других живых организмов. [3]
После своей работы по созданию базового компьютера из нейронов пиявки Дитто продолжил 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 вентилям . 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 «Построение хаотического компьютерного чипа» Дитто обсуждает преимущества в программировании использования хаотических систем с их большей чувствительностью к реагированию и перенастройке логических вентилей в его концептуальном хаотическом чипе. Главное отличие хаотического компьютерного чипа от обычного компьютерного чипа заключается в перенастраиваемости хаотической системы. В отличие от традиционного компьютерного чипа, где программируемый элемент вентильной матрицы должен быть перенастроен путем переключения множества одноцелевых логических вентилей, хаотический чип может перенастраивать все логические вентили посредством управления шаблоном, генерируемым нелинейным хаотическим элементом. [8]
Когнитивная биология оценивает познание как базовую биологическую функцию. В. Текумсе Фитч , профессор когнитивной биологии в Венском университете , является ведущим теоретиком идей клеточной преднамеренности. Идея заключается в том, что не только целые организмы имеют чувство «привязанности» к преднамеренности, но и отдельные клетки также несут чувство преднамеренности через способность клеток адаптироваться и реорганизовываться в ответ на определенные стимулы. [9] Фитч обсуждает идею нано-преднамеренности, 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 преднамеренностью» в клетках, объясняя, что «хотя на гораздо более простом уровне, чем преднамеренность на человеческом когнитивном уровне, я предполагаю, что эта базовая способность живых существ [реакция на стимулы] обеспечивает необходимые строительные блоки для познания и преднамеренности более высокого порядка». [9] Fitch описывает ценность его исследований для конкретных областей компьютерной науки, таких как искусственный интеллект и архитектура компьютеров. Он утверждает: «Если исследователь стремится создать сознательную машину, делать это с помощью жестких переключателей (будь то электронные лампы или статические кремниевые чипы) — значит лаять на неправильное дерево». [9] Fitch считает, что важным аспектом развития таких областей, как искусственный интеллект, является программное обеспечение с нано-намеренностью и автономной способностью адаптироваться и реструктурироваться.
В обзоре вышеупомянутого исследования, проведенного Fitch, Дэниел Деннетт , профессор Университета Тафтса, обсуждает важность различия между концепциями аппаратного и программного обеспечения при оценке идеи wetware и органического материала, такого как нейроны. Деннетт обсуждает ценность наблюдения за человеческим мозгом как за уже существующим примером wetware. Он рассматривает мозг как имеющий «компетенцию кремниевого компьютера, чтобы брать на себя неограниченное множество временных когнитивных ролей». [10] Деннетт не согласен с Fitch в некоторых областях, таких как связь программного обеспечения/аппаратного обеспечения с wetware и на что может быть способна машина с wetware. Деннетт подчеркивает важность дополнительных исследований человеческого познания для лучшего понимания внутренних механизмов, с помощью которых может работать человеческий мозг, чтобы лучше создать органический компьютер. [10]
Не следует путать компьютеры с «мозгом на чипе» с устройствами, которые в основном предназначены для замены животных моделей в доклиническом скрининге лекарств [11] . Современные компьютеры с «мозгом на чипе» используют похожую технологию, полученную из области «мозга на чипе», но медицинские приложения для вычислений с «мозгом на чипе» пока не разработаны.
Компьютеры с программным обеспечением могут иметь существенные этические последствия, [12] [ необходимы дополнительные ссылки ] , например, связанные с возможным потенциалом для восприятия и страдания , а также с технологией двойного назначения. [ необходима ссылка ]
Более того, в некоторых случаях сам человеческий мозг может быть подключен как своего рода «программное обеспечение» к другим системам информационных технологий, что также может иметь большие социальные и этические последствия, [13] включая вопросы, связанные с интимным доступом к мозгу людей. [14] Например, в 2021 году Чили стала первой страной, одобрившей нейроправо , устанавливающее права на личную идентичность, свободу воли и психическую конфиденциальность. [15]
Концепция искусственных насекомых [16] может поднять существенные этические вопросы, в том числе вопросы, связанные с сокращением популяций насекомых .
Остается открытым вопрос, могут ли человеческие мозговые органоиды развить степень или форму сознания. Могут ли они обрести свой моральный статус с соответствующими правами и ограничениями [ требуется ссылка ] также могут быть потенциальными будущими вопросами. Существуют исследования о том, как можно обнаружить сознание. [17] Поскольку мозговые органоиды могут приобретать нейронную функцию, подобную человеческой, субъективный опыт и сознание могут быть осуществимы. Более того, возможно, что они приобретают их при трансплантации животным. Исследование отмечает, что в различных случаях может быть морально допустимо «создавать самосознающих животных путем прививки человеческих мозговых органоидов, но в этом случае моральный статус таких животных следует тщательно учитывать». [18]
Хотя с момента создания нейронного калькулятора, разработанного Ditto в 1990-х годах, было немного крупных разработок в области создания органического компьютера, исследования продолжают продвигать эту область вперед, и в 2023 году исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне построили функционирующий компьютер, используя 80 000 нейронов мыши в качестве процессора, который может обнаруживать световые и электрические сигналы. [19] Такие проекты, как моделирование хаотических путей в кремниевых чипах Ditto, сделали открытия в способах организации традиционных кремниевых чипов и структурирования компьютерной архитектуры, чтобы сделать их более эффективными и лучше структурированными. [8] Идеи, возникающие в области когнитивной биологии, также помогают продолжать продвигать открытия в способах структурирования систем для искусственного интеллекта, чтобы лучше имитировать уже существующие системы у людей. [9]
В предлагаемом грибковом компьютере с использованием базидиомицетов информация представлена всплесками электрической активности, вычисления реализованы в сети мицелия , а интерфейс реализован через плодовые тела. [20]
Соединение мозговых органоидов (включая компьютероподобное мокрое программное обеспечение) с другими нервными тканями может стать осуществимым в будущем, [18] как и соединение физических искусственных нейронов (не обязательно органических) и управление мышечной тканью . [21] [22] Внешние модули биологической ткани могли бы запускать параллельные цепочки стимуляции обратно в мозг. [23] Полностью органические устройства могли бы быть выгодны, поскольку они могли бы быть биосовместимыми , что может позволить имплантировать их в тело человека. [16] Это может позволить лечить определенные заболевания и травмы нервной системы. [16]
Три компании сосредоточены конкретно на аппаратных вычислениях с использованием живых нейронов:
Биоцифровые технологии обеспечивают основу для нового натурализма, основанного на росте естественных и синтетических организмов и систем, и новаторской науки с очень серьезными политическими, этическими и образовательными последствиями. Биологизация информации и вычислений менее очевидна, чем оцифровка науки, и пока находится только на очень ранних стадиях, и все же она возвещает о грядущей гибридизации и интерфейсе, которые могут быть революционными.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )