İnsan beyni gibi öğrenen cihaz geliştirildi

Araştırmacılar, ilişkilendirme yoluyla öğrenme yeteneğine sahip insan beyni gibisi bir bilgi süreç aygıtı geliştirdi. Bilim insanları, aygıtı geliştirirken ünlü fizyolog Ivan Pavlov‘un tekniğinden esinlendi. Aygıt, şartlı öğrenmenin bir örneğini verdi.

Ünlü fizyolog Ivan Pavlov, köpekler üzerindeki bir deneyinde zili yiyecekle ilişkilendirmişti. Her zil çaldığında köpekler salyalarını akıtıyordu. Northwestern Üniversitesi ve Hong Kong Üniversitesindeki araştırmacılar Pavlov’un prosedürünü kullandı. Grup, bir LED ampulü yakıp çabucak akabinde parmakla basınç uygulayarak devreleri ışığı basınçla ilişkilendirecek biçimde şartlandırdı. Çalışmayı, Nature Communications mecmuasında 30 Nisan’da yayımladılar.

İnsan beyni üzere bilgiyi işledi 

Aygıtın sırrı, bilgiyi tıpkı insan beyni üzere eşzamanlı olarak işleyen ve depolayan organik, elektrokimyasal “sinaptik transistörler“de yatıyor. Araştırmacılar, iyonları yakalayabilen organik, elektrokimyasal transistörde iletken, plastik bir malzemeyi geliştirdi. Organik elektrokimyasal gereç, aygıtın hafıza oluşturmasına imkan tanıdı. Devreye basınç ve ışık sensörlerini entegre ettiler ve iki alakasız fizikî girişi (basınç ve ışık) birbiriyle ilişkilendirmek için devreyi eğittiler. Nöromorfik devre için araştırmacılar, parmakla basınç uygulayarak bir voltajı çalıştırdı. Devrenin ışığı basınçla ilişkilendirmesini şartlandırmak için takım, evvel bir LED ampulden darbeli ışık uyguladı. Çabucak akabinde ise basınç uyguladılar. Bu senaryoda, basınç Pavlov’un deneyindeki yiyecekken ışık zildir. Aygıtın ilgili sensörleri her iki girişi de algıladı.

Araştırmacılar, tek sinaptik transistörleri bir nöromorfik devreye bağladı ve aygıt ilişkisel öğrenmeyi taklit etti. (Fotoğraf: Northwestern Üniversitesi)

Beş eğitim döngüsünden sonra devre, ışığı basınçla ilişkilendirdi. Bu sayede, ışık tek başına basınç için bir sinyal tetikledi. Beyin gibisi yeteneği ile yeni transistör ve devre, güç tüketen donanımları ve çoklu misyon konusundaki hudutlu yetenekleri dahil klâsik bilgi sürecin sonlarının üstesinden gelebilir. Ayrıyeten beyin gibisi aygıtın birtakım bileşenleri arızalandığında bile sıkıntısız çalışıyor.

Aygıt, güç ve yerden tasarruf sağlıyor

Northwestern Üniversitesinden çalışmanın müellifi Jonathan Rivnay, çalışma hakkında konuştu. Rivnay, “Modern bilgisayar fevkaladedir. Lakin insan beyni örüntü tanıma, motor denetim ve çoklu duyusal entegrasyon üzere birtakım karmaşık ve yapılandırılmamış misyonlarda basitçe geride bırakabilir. Bu, beynin hesaplama gücünün temel yapı taşı olan sinapsların esnekliği sayesindedir. Bu sinapslar beynin paralel, kusura güçlü ve güç açısından verimli çalışmasını sağlar. Çalışmamız, biyolojik bir sinapsın temel fonksiyonlarını taklit etti.”

Bir sanatçı insan beyni üzere düşünmeyi sağlayan yapay sinapsı tasvir etti. (Fotoğraf: Northwestern Üniversitesi)

Klasik bilgi süreç sistemleri dataları farklı ünitelerde depolayıp işler. Bu da data ağır vazifelerin yüksek güç tüketmesine neden olur. Son yıllarda araştırmacılar, insan beynindeki birleşik hesaplama ve depolama sürecinden ilham aldı. Grup, bir nöron ağı üzere fonksiyon gören bir dizi aygıtla daha çok insan beyni üzere çalışan bilgisayarlar geliştirmeye çalıştı. Doktora sonrası araştırmacı Xudong Ji, yerden ve güç maliyetlerinden tasarruf etmek için iki başka fonksiyonu bir ortaya getirmeye çalıştıklarını söyledi. Ji, “Mevcut bilgisayar sistemlerimizin çalışma biçimi, hafıza ve mantığın fizikî olarak ayrılmasıdır. Bilgiyi işlersiniz ve bir bellek ünitesine gönderirsiniz. Sonra bu bilgiyi her almak istediğinizde, onu geri çağırmanız gerekir. Bu iki başka fonksiyonu bir ortaya getirebilirsek, yerden ve güç maliyetlerinden tasarruf edebiliriz.” dedi.

Sinaptik devre canlı dokuyla arayüz oluşturacak mı?

Şu anda, bellek direnci (memristör) birleşik sürece ve bellek fonksiyonunu gerçekleştirebilen en gelişmiş teknolojidir. Fakat memristörlerin güç maliyeti yüksek ve daha az biyo-uyumludur. Bu nedenle biyolojik uygulamalarda kullanmıyorlar. Bu dezavantajlar, araştırmacıları sinaptik transistöre, bilhassa de elektrokimyasal sinaptik transistöre götürdü. Elektrokimyasal sinaptik transistörler, düşük voltajlarla, daima ayarlanabilen bellekle ve biyolojik uygulamalar için yüksek uyumlulukla çalışır. Fakat tekrar de zorluklar var.

Bilim insanları, insan beyni üzere davranan sinaptik devrenin gelecekteki kullanımını açıkladı.

Araştırmacılar, insan beyni üzere öğrenmeyi sağlayan sinaptik devreyi plastik gibisi yumuşak polimerlerden yapıyor. Aygıtı, giyilebilir elektronikler, akıllı robotikler, canlı doku ve hatta beyin ile direkt arayüz oluşturan implante aygıtlara kolay kolay entegre edebilirler. Rivnay, biyolojik ortamlarla uyumlu olduğu için aygıtın, yeni kuşak biyoelektroniklerde kritik olan canlı dokuyla direkt temas kurma bahtını yüksek buldu.