연구원들은 나노 스케일 장치에서 뇌와 같은 행동을 관찰한다
연구원들은 나노 스케일 장치에서 뇌와 같은 행동을 관찰한다
  • 서정만 기자
  • 승인 2020.02.10 14:55
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[퓨처타임즈=서정만 기자] 연구원들은 나노 스케일 장치에서 뇌와 같은 행동을 관찰한다. 기존 컴퓨터를 재 프로그래밍하는 것보다 더 광범위한 사명을 가지고 있으며, 그들의 비전은 결국 인간의 운영 방식에 더 가까운 작업을 처리할 수 있는 시스템을 발견하는 것이다.

연구에서 사용 된 것과 같은 장치(오른쪽)와 장치의 뉴런과 같은 나노 와이어 배열을 보여주는 전자 현미경 이미지.

UCLA 과학자 James Gimzewski와 Adam Stieg는 국제 연구팀의 일원으로 사고 기계를 만드는 목표를 향해 큰 진전을 이루었다. 일본국립재료과학연구소(National Institute for Materials Science)의 연구원들이 이끄는 팀은 학습, 암기, 잊어 버리기, 각성 및 수면과 같은 뇌의 특정 행동과 유사한 특성을 나타내는 실험 장치를 만들었다. Scientific Reports에 게시된 백서는 연속적인 흐름 상태의 네트워크에 대해 설명한다.

 

UCLA의 화학 및 생화학 교수인 Gimzewski는 UCLA의 California NanoSystems Institute 회원이자 연구의 공동 저자이다. Gimzewski는 “이것은 혼돈의 가장자리에 있는 질서와 혼돈 사이의 시스템이다. “기기가 끊임없이 진화하고 변화하는 방식은 인간의 두뇌를 모방한다. 스스로 반복하지 않는 다양한 유형의 행동 패턴을 생각해 낼 수 있다.”

 

이 연구는 현대의 컴퓨터가 겪는 문제를 해결할 수 있고 오늘날의 컴퓨터보다 훨씬 적은 전력을 필요로 할 수 있는 기계, 즉 물리적으로나 기능적으로 뇌와 유사한 컴퓨터로 이어질 수 있는 초기 단계이다.

 

연구자들은 평균 직경이 360 나노미터인 은나노 와이어 꼬임으로 만들어졌다. (나노 미터는 10억분의 1미터이다.) 나노 와이어는 약 1나노 미터 두께의 절연 중합체로 코팅되었다. 전체적으로 이 장치 자체는 약 10평방 밀리미터로 측정되었으므로 작은 크기를 커버하는 데 25개가 소요된다.

 

실리콘 웨이퍼에 무작위로 자기 조립될 수 있게 되면서, 나노 와이어는 언어, 인식 및 인지와 같은 더 높은 기능과 관련된 뇌의 일부인 신 피질을 형성하는 것과 현저하게 유사한 고도로 상호 연결된 구조를 형성했다.

 

나노 와이어 네트워크를 종래의 전자 회로와 구별하는 한 가지 특성은 그것들을 통해 흐르는 전자가 네트워크의 물리적 구성을 변화 시킨다는 것이다. 이 연구에서 전류로 인해 은 원자가 폴리머 코팅 내에서 이동하여 두 개의 나노 와이어가 겹치는 연결부를 형성했다. 이 시스템에는 약 1 천만 개의 접합부가 있으며, 이는 뇌 세포가 연결하고 소통하는 시냅스와 유사하다.

 

연구원들은 두 개의 전극을 뇌와 같은 메시에 연결하여 네트워크의 수행 방식을 프로파일링 했다. 그들은“비상 행동”을 관찰했는데, 이는 네트워크가 구성하는 개별 부분에 기인할 수 없는 특성을 전체적으로 표시했음을 의미한다. 이것은 네트워크가 두뇌를 닮아 기존의 컴퓨터와 차별화되는 또 다른 특성이다.

 

전류가 네트워크를 통해 흐른 후, 나노 와이어 사이의 연결은 경우에 따라 1분 정도 지속되어 뇌의 학습 및 암기 과정과 유사했다. 다른 경우에는 충전이 끝난 후 연결이 갑자기 종료되어 뇌의 잊어버리는 과정을 모방한다.

 

다른 실험에서 연구팀은 전력이 덜 유입되면 신경 과학자들이 기능적인 MRI 스캐닝을 사용하여 잠자는 사람의 뇌를 촬영할 때 보는 것과 일치하는 행동을 보였다는 것을 발견했다. 더 많은 힘으로, 나노 와이어 네트워크의 행동은 깨어 있는 뇌의 행동에 상응했다.

 

이 논문은 Gimzewski가 UCLA 연구 과학자이자 CNSI의 부국장인 Stieg와 함께 개척자를 도운 연구 분야인 뇌에서 영감을 얻은 시스템으로 나노 와이어 네트워크를 검토하는 일련의 출판물 중 최신 기사이다.

 

연구의 공동 저자인 Stieg는“우리의 접근 방식은 에너지 효율이 높고 현대 컴퓨터의 한계에 도전하는 복잡한 데이터 세트를 처리할 수 있는 새로운 유형의 하드웨어를 생성하는 데 유용 할 수 있다.

 

나노 와이어 네트워크의 경계-혼돈 활동은 뇌에서의 신호 전달뿐만 아니라 날씨 패턴과 같은 다른 자연계와 유사하다. 이는 향후 개발 버전의 장치에서 이러한 복잡한 시스템을 모델링 하는데 도움이 될 수 있음을 의미 할 수 있다.

 

다른 실험에서 Gimzewski와 Stieg는 나노 와이어 장치를 동축하여 지난 몇 년 동안의 교통 데이터를 기반으로 로스앤젤레스 교통 패턴의 통계적 경향을 성공적으로 예측했다.

 

뇌의 내부 작용과 유사하기 때문에 나노 와이어 기술을 기반으로 한 미래의 장치는 뇌 자체의 처리와 같은 에너지 효율을 보여줄 수 있다. 인간의 뇌는 20와트 백열 전구가 사용하는 것과 거의 동등한 힘으로 작동한다. 반대로 기계 학습 교육에서 인터넷 검색 실행에 이르기까지 작업 집약적인 작업이 수행되는 컴퓨터 서버는 탄소발자국을 통해 많은 가정의 에너지에 해당하는 에너지를 사용할 수 있다.

 

Gimzewski는“우리 연구에서 기존 컴퓨터를 재 프로그래밍하는 것보다 더 광범위한 사명을 가지고 있다. "우리의 비전은 결국 인간의 운영 방식에 더 가까운 작업을 처리할 수 있는 시스템이다."라고 말했다.


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