Biuletyn AGH
Magazyn Informacyjny Akademii Górniczo-Hutniczej
04 luty 2023

Sztuczny neuron powstał na Wydziale Metali Nieżelaznych

Większość opracowywanych obecnie nowych technologii dotyczy przetwarzania i przesyłania informacji, ponieważ informacja obok energii jest w krajach wysoko rozwiniętych najbardziej poszukiwanym towarem . Dlatego dziś nie jest już aż tak ważne, ile dany kraj produkuje np. miedzi i aluminium, lecz ile energii lub informacji może przesłać kablem z nich wyprodukowanym. Sporo osób jest w stanie zrezygnować z wielu wygód, ale nie z internetu, telefonów komórkowych czy telewizji. Dla producentów i użytkowników urządzeń elektronicznych najistotniejsze staje się pytanie, ile danych jesteśmy w stanie zapisać w jednym milimetrze kwadratowym mikrochipa czy zgromadzić w jednym gramie twardego dysku oraz jak szybko możemy je uzyskać, przetworzyć i wykorzystać. Trzeba więc poszukiwać wciąż nowych materiałów, które umożliwią dalszy rozwój technologii informatycznych. Wiele tworzyw stosowanych do budowy mikrourządzeń uzyskuje się na bazie pierwiastków krytycznych, lecz są naukowcy, którzy starają się znaleźć dla nich alternatywę. Jednym z nich jest dr hab. Konrad Szaciłowski z Wydziału Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej. Zapraszam do przeczytania wywiadu z profesorem o poszukiwaniu technik przetwarzania informacji, które nie są uzależnione od metali ziem rzadkich.

Dr hab. Konrad Szaciłowski, prof. AGH - fot. Mateusz Wojtów, KSAF AGH

Dr hab. Konrad Szaciłowski, prof. AGH

Czym się pan zajmuje i jakie prowadzi badania?

Zajmuję się wieloma różnymi wątkami w chemii materiałowej, ale główną myślą przewodnią jest poszukiwanie nowych materiałów i substancji chemicznych, które mogą być wykorzystane w nietypowych technologiach przetwarzania informacji. Są to materiały czułe na światło lub na potencjał elektryczny, czy na obecność jakiejś substancji w roztworze, które pod wpływem bodźca świetlnego, elektrycznego bądź chemicznego zmieniają swoje właściwości w kontrolowany sposób. Szukamy też substancji, które zmieniają właściwości w taki sposób, żeby tę zmianę można było opisać przy pomocy algebry Boole’a, czyli podstawowego narzędzia matematycznego używanego w przetwarzaniu informacji. Konstruujemy proste urządzenia, które nie mają „porywającego” wyglądu; są to małe płytki najczęściej pokryte warstwą związku chemicznego, które mogą działać jak proste przełączniki, bramki logiczne, sensory czy też układy synaptyczne, żargonowo nazywane przez nas sztucznymi neuronami.

I tak doszliśmy do sztucznego neuronu, czyli tematu naszej rozmowy. Proszę więc wytłumaczyć, co to takiego sztuczny neuron?

Sztuczny neuron to nie jest prawidłowa nazwa. Prawdę mówiąc pojawiła się ona w jakiejś rozmowie jako żart, ale tak naprawdę należy posługiwać się nazwą sztuczna synapsa. Wyjaśnię dlaczego: neurony w mózgu są komórkami mającymi za zadanie wzmocnienie sygnału elektrycznego oraz przygotowanie synaps do działania. Natomiast tymi miejscami, gdzie odbywa się przetwarzanie informacji, są synapsy. I właśnie jeden z naszych układów optoelektronicznych ma właściwości takiej sztucznej synapsy. Myślę, że słowo neuron przyjęło się, gdyż większość ludzi doskonale wie, co ono oznacza i kojarzy je z układem nerwowym. Natomiast synapsa może brzmieć nieco obco. Synapsa jest elementem neuronu, ale tym najważniejszym, bowiem w nim odbywa się przetwarzanie informacji. Innymi słowy synapsa, czyli styk między dwoma komórkami nerwowymi, jest odpowiedzialna za przetwarzanie informacji.

Kolejna wersja sztucznej synapsy w czasie testów elektrycznych - fot. I. Trębacz

Kolejna wersja sztucznej synapsy w czasie testów elektrycznych

Do czego może służyć sztuczna synapsa, nad którą pan pracuje?

Teoretycznie, puszczając wodze fantazji, może służyć do tego samego, do czego służą prawdziwe synapsy, czyli do bardzo zaawansowanych procesów przetwarzania informacji. Pod warunkiem, że wiele tych synaps połączymy w jedną sieć neuronową. Do tej pory nam się to nie udało. Obecnie prowadzimy doświadczenia, chcąc doprowadzić do tego, żeby dwie synapsy nauczyć komunikowania się ze sobą. Na razie wyniki są mało obiecujące, ale są to wyjątkowo trudne badania. Natomiast można próbować wykorzystać tego typu układy jako bardzo czułe urządzenia analityczne, ponieważ charakterystyka pracy takich synaps będzie mocno uzależniona od środowiska, w jakim się znajdują. Nawet minimalne zaburzenie środowiska teoretycznie powinno doprowadzić do zauważalnej zmiany właściwości takiego układu. Innymi słowy, obecność odpowiedniej substancji chemicznej może wywołać zmianę w sygnale elektrycznym generowanym przez taki układ.

Czy puszczając wodze wyobraźni – jak pan profesor się wyraził – możemy się zastanawiać nad tym, czy pańskie badania będzie można kiedyś wykorzystać do leczenia chorób układu nerwowego u ludzi?

Nie, nasze konstrukcje są całkowicie niekompatybilne z żywymi układami nerwowymi. Wprawdzie efekt działania wygląda tak samo, ale podstawy fizyczne tych procesów są zupełnie inne. Nasze badania nie idą w kierunku upodobnienia ich do układu nerwowego od strony molekularnej, ale od strony funkcjonalnej. Chodzi o uzyskanie komunikacji między układami synaps po to, aby można było uzyskać bardziej zaawansowane funkcje. Chcemy nauczyć się sterować tymi układami, żeby potrafiły lepiej działać, reagować szybciej i na więcej bodźców.

Czyli badania idą w kierunku ulepszenia pracy układów elektronicznych?

Myślimy o prostych, bardzo tanich w produkcji elementach elektronicznych, które mogłyby być jednorazowego użytku jako proste układy identyfikacji cyfrowej, czy układy do wstępnej obróbki danych do jakichś sensorów.

Dr hab. Konrad Szaciłowski, prof. AGH - fot. Mateusz Wojtów, KSAF AGH

Dr hab. Konrad Szaciłowski, prof. AGH

Jak wygląda ten sztuczny neuron i z czego jest zbudowany?

Wygląda jak wielowarstwowa kanapka. Tyle że jest ona polimerowa i w jednej z warstw polimeru są zatopione nanocząstki siarczku kadmu, odpowiednio jeszcze udekorowane na powierzchni cząsteczkami związków organicznych.

Bardzo lubię porównania do kuchni. Polimerowa kanapka…

Zgadza się. Nasza kanapka to warstwa folii przewodzącej, pomalowana warstwą farby powstałej z materiału, który syntetyzujemy. Suszymy, następnie nanosimy kilka warstw polimeru, potem kładziemy drugą folię. W taki sposób uzyskujemy wielowarstwową strukturę z kontaktami elektrycznymi na zewnątrz, w postaci przeźroczystej folii. Jest to pomarańczowy kawałek plastiku o wielkości 1 cm na 3 cm. Większość próbek, które badamy, naszych neuronów, wygląda w taki właśnie sposób.

Czy pańskie badania mogą być wykorzystane w medycynie?

Oczywiście, ale nie w sensie poprawy funkcjonowania układu nerwowego czy brakującego fragmentu tkanki nerwowej, ale mogą być zastosowane w diagnostyce medycznej. Przynajmniej mamy taki dalekosiężny plan, żeby tak zmodyfikować nasze polimery, aby układ mógł reagować na odpowiednie stężenia hormonów, enzymów, witamin czy jonów istotnych do prawidłowego funkcjonowania ludzkich organizmów. W takim przypadku można by stworzyć urządzenie diagnostyczne, które dokona analizy próbki płynu ustrojowego i wysunie wnioski, co w organizmie szwankuje. Możemy myśleć nad prostym urządzeniem analitycznym, które nie tylko będzie dawało wynik w postaci stężeń różnych substancji w organizmie, ale także wskaże, któremu narządowi należy przyjrzeć się w pierwszej kolejności, ale podkreślam, że od takiego urządzenia dzieli nas jeszcze wiele lat ciężkiej pracy.

Jakie w takim razie pan i pański zespół ma plany badawcze na przyszłość?

Planów badań mamy kilka i prowadzą one w różnych kierunkach. Chcemy poprawić charakterystykę pracy naszego pojedynczego układu synaptycznego – żeby uzyskać układy o większej amplitudzie sygnału, łatwiejsze w sterowaniu, wykazujące większą zmienność sygnału w czasie „treningu”. Udało nam się już odkryć kilka związków, które spowodują pożądane zmiany. Przymierzamy się powoli do połączenia kilku synaps w większy układ, żeby zobaczyć, czy możliwe jest uzyskanie prostej komunikacji pomiędzy elementami i uzyskanie zdolności ich uczenia się. W tej chwili nasza struktura wykazuje wyłącznie pamięć krótkotrwałą, czyli pobudzana serią impulsów jest w stanie zapamiętać, czy była pobudzona w ciągu ostatniej sekundy. Potem tę pamięć traci.

Czy to dobrze, że ta synapsa zapamiętuje tylko to, co działo się w ostatniej sekundzie? Nie chodzi o to, aby miała pamięć długotrwałą?

Idealnie byłoby mieć układy, które wykazują i pamięć krótkotrwałą, i długotrwałą, dokładnie tak jak jest w ludzkim układzie nerwowym, gdzie bez pamięci krótkotrwałej pamięć długotrwała byłaby bezużyteczna. To pamięć krótkotrwała wykorzystywana jest do czasowego zapamiętywania danych zmysłowych lub informacji pobranej z pamięci długotrwałej; jest odpowiedzialna za aktywne przetwarzanie informacji. Tego typu procesy chcielibyśmy naśladować w laboratorium, w naszych w pełni syntetycznych układach. Żeby mogły reagować na napływającą ze środowiska informację – w naszym przypadku są to impulsy światła – i żeby układ pobudzany sekwencjami impulsów elektrycznych reagował w zdefiniowany sposób. Gdybyśmy byli w stanie stworzyć jakąś mapę korelacyjną pomiędzy informacją wejściową i wyjściową, moglibyśmy to wykorzystać w praktyce do prowadzenia obliczeń lub porównywania wzorców i kojarzenia faktów.

Złocone szkło, srebrny drut, klej oraz roztwory polimerów i nanocząstek – tylko tyle trzeba do zbudowania sztucznej synapsy - fot. I. Trębacz

Złocone szkło, srebrny drut, klej oraz roztwory polimerów i nanocząstek – tylko tyle trzeba do zbudowania sztucznej synapsy

Wspominał pan o siarczku kadmu. Do jakich badań jest on wykorzystywany przez pański zespół?

Jest to pospolity materiał, wykorzystywany od XIX wieku jako pigment malarski. Jest też stosowany w optoelektronice do produkcji fotorezystorów, czyli prostych elementów, które zmieniają swoje właściwości elektryczne pod wpływem światła. My wykorzystaliśmy zdolność siarczku kadmu do generowania fotoprądu jako źródło, a zarazem substancję aktywną naszych układów synaptycznych. Odpowiednio modulując kinetykę reakcji chemicznych związanych z generowaniem fotoprądu, byliśmy w stanie w tym materiale w sposób kontrolowany wywołać efekty pamięci. Siarczek kadmu był znany z tego, że fotokomórki wykonane z siarczku kadmu i ołowiu wywoływały efekt pamięci, ale był to efekt szkodliwy. Można go zobaczyć, oglądając np. stare czarno-białe programy telewizyjne, gdzie pojawiały się cienie i zaburzenia kontrastu, związane właśnie z pamięcią tych materiałów. Nasze efekty pamięciowe opierają się o inne zjawiska fizyczne związane z cząsteczkami związków organicznych, które są na etapie syntezy celowo wprowadzane na powierzchnię siarczku kadmu.

To znaczy, że z badań nad siarczkiem kadmu wyniknęło odkrycie sztucznej synapsy?

Tak. Badaliśmy kinetykę generowania fotoprądu, czyli czas, w jakim zanika prąd elektryczny w obwodzie po wyłączeniu źródła światła, żeby zbadać procesy dyfuzji w elektrolicie i procesy rekombinacji w ciele stałym. I całkowicie przypadkowo zmieniliśmy odległość pomiędzy impulsami światła i zaobserwowaliśmy dziwny efekt: jeśli impulsy światła znajdują się coraz bliżej siebie, to pojawi się efekt pamięci, czyli natężenie prądu generowane przez drugi impuls jest znacznie większe niż natężenie generowane przez poprzedni impuls. Jeśli użyliśmy całego szeregu impulsów, to natężenie prądu stopniowo rosło. Wysycało się po kilku, kilkunastu impulsach. Te krzywe skojarzyły się nam z krzywymi uczenia się aksonów kałamarnicy, opisanych przez Hodgkina i Huxleya. W 1952 roku na podstawie doświadczeń na tych aksonach Alan Lloyd Hodgkin i Andrew Fielding Huxley opracowali tzw. model Hodgkina-Huxleya, opisujący mechanizmy jonowe decydujące o potencjałach czynnościowych w komórkach nerwowych. Zastosowaliśmy ten sam aparat matematyczny, co ci dwaj uczeni i okazało się, że mamy bardzo podobny profil odpowiedzi układu na pojedynczy impuls i na serię impulsów. Okazało się, że krzywe wzmocnienia fotoprądu są praktycznie identyczne z krzywymi uczenia się żywych synaps pobudzanych serią impulsów elektrycznych. Stąd też układ ten został żartobliwie nazwany przez nas sztucznym neuronem.

A oficjalnie jak się nazywa?

Jako przedmiot zgłoszenia patentowego figuruje jako „Element optoelektroniczny wykazujący efekt pamięci krótkotrwałej”. Prace prowadziliśmy w zespole, w skład którego wchodzą: dr Agnieszka Podborska, mgr inż. Kacper Pilarczyk i inż. Maria Lis, która jest studentką Inżynierii Materiałowej na Wydziale Metali Nieżelaznych.

I oczywiście dr hab. Konrad Szaciłowski, prof. AGH.

Zgadza się. Dodam na zakończenie, że celem naszych badań – oprócz poszukiwania nowych materiałów, które umożliwią dalszy rozwój technologii informatycznych – jest poszerzanie wiedzy o świecie, obserwowanie zupełnie nowych zjawisk fizycznych, których nikt dotychczas nie obserwował, synteza materiałów, których nikt nigdy nie syntetyzował i pokazanie młodym ludziom – studentom i doktorantom – że można zrobić coś unikalnego w bardzo prosty sposób. I że badanie nawet bardzo prostych materiałów może być wyzwaniem intelektualnym.

Dziękuję za bardzo ciekawą rozmowę. Życzę dalszych sukcesów.

Z prof. Konradem Szaciłowskim rozmawiała
Ilona Trębacz.