Что если электронные устройства могли бы не только учиться, как человеческий мозг, но и после службы растворяться в земле? Южнокорейские исследователи сделали шаг к этой, на первый взгляд, фантастической идее. Ученые из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) создали полностью биоразлагаемый искусственный синапс — ключевой элемент нейроморфных вычислений, имитирующих работу мозга. Разработка одновременно отвечает сразу на две острые проблемы цифровой эпохи: лавинообразный рост электронных отходов и все более высокое энергопотребление вычислительных систем.
Искусственные синапсы — это «перемычки» между электронными нейронами, аналог биологических синапсов в мозге. Именно они позволяют системам машинного обучения запоминать информацию, адаптироваться и обучаться. Однако большинство таких решений сегодня далеки от экологичности: они требуют немало энергии и в конечном итоге пополняют горы электронного мусора.
Команда UNIST поставила перед собой амбициозную цель — создать синапс, который был бы энергоэффективным, стабильным, долговечным в работе и при этом полностью разлагаемым после использования.
Из чего сделан «исчезающий» чип?
Архитектура устройства напоминает микроскопический многослойный бутерброд. Но вместо кремния и редкоземельных металлов здесь — материалы природного происхождения:
- ионно-активные слои из веществ, полученных из бобов и раковин;
- центральное ион-связывающее ядро из ацетата целлюлозы, извлеченного из растительных стеблей;
- хитозан, добываемый из панцирей крабов, и другие натуральные экстракты.
Все эти компоненты образуют полноценную электронную структуру — но такую, которая не вредит природе.
Как работает искусственная память?
Когда на устройство подается электрический импульс, внутри высвобождаются ионы натрия. Они играют ту же роль, что и нейромедиаторы в человеческом мозге. Ионы «закрепляются» на внутренних границах слоев благодаря ион-дипольному взаимодействию, сохраняя состояние даже после отключения питания.
За счет этого запускаются каскадные реакции, позволяющие системе формировать как кратковременную, так и долговременную память. Иначе говоря, искусственный синапс демонстрирует синаптическую пластичность — фундаментальный механизм обучения и адаптации живого мозга.
Один из самых впечатляющих результатов — время удержания памяти. Синапс способен сохранять информацию до 6000 секунд, то есть около 100 минут. Это рекордный показатель среди всех известных биоразлагаемых аналогов.
Не менее важно и энергопотребление: всего 0,85 фемтоджоуля на сигнал. Для сравнения, человеческий мозг расходует от 2,4 до 24 фемтоджоулей на одно событие. Получается, что устройство не просто догоняет биологические системы, но и превосходит их по эффективности.
Экологическая сторона разработки доведена до логического конца. Все слои синапса полностью разлагаются в почве менее чем за 16 дней. Ни токсичных остатков, ни долговременного загрязнения — устройство буквально возвращается в природу.
Чтобы показать практический потенциал технологии, ученые собрали простой роботизированный прототип. Когда синапс регистрировал тепло, движение ионов усиливало сигнал, и робот мгновенно отдергивал «руку» — почти как человек, отдергивающий ладонь от горячего предмета.
Такие разработки открывают дорогу к новому классу «зеленой электроники»: роботам, сенсорам и ИИ-системам, которые могут обучаться, взаимодействовать с окружающей средой и затем бесследно исчезать. Это особенно перспективно для одноразовых или временных устройств — от экологических датчиков до медицинских имплантов. Работу уже называют важным шагом к устойчивому будущему нейроморфных технологий
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
