Dołącz do czytelników
Brak wyników

Mózg i umysł , Laboratorium

22 stycznia 2016

Żel, który myśli

56

Naukowcy eksperymentują z mieszanką substancji chemicznych, która ma zastąpić krzemową inteligencję. Czy to pierwszy krok do stworzenia sztucznego mózgu?

Między telefonem i faksem stoi miska z mózgiem. Od czasu do czasu robot wkłada do niej palec i miesza gęstą zawartość. „Mózg” to śluzowata mikstura, palec porusza ją co jakiś czas. W wyniku jego ruchów w galaretowatej masie powstają fale jonów i kolorowe smugi. Gdy opadną, mechaniczna ręka ponownie pobudza galaretowaty mózg.

POLECAMY

Płynny mózg wymyślił zespół naukowców pod kierunkiem Andrew Adamatzky’ego z University of the West of England w Bristolu. Eksperyment miał pokazać relacje między bardzo uproszczonymi procesami „myślowymi” odpowiadającymi za ruch a samym ruchem. Badanie to jest częścią ambitnego programu stworzenia procesorów chemicznych, które będą dokonywać obliczeń dzięki jonom umieszczonym w odpowiednim środowisku, a nie przy użyciu elektronów na elektronicznej płycie głównej. Adamatzky nazywa te procesory „goo-ware”, co znaczy „mazisty komputer”.
Adamatzky założył z innymi naukowcami koło „niekonwencjonalnego programowania”. Ma nadzieję, że jego urządzenie stanie się wkrótce całkiem wydajne. Gigant komputerowy, firma IBM, także prowadzi badania w tym kierunku. Badacze liczą, że żelowa technologia pozwoli opracować mikroczip przyszłości.
Adamatzky chce stworzyć żelowy komputer, który zasłuży na określenie „płynny mózg”. Aby udowodnić potencjał swojego pomysłu, badacz pracuje nad stworzeniem robota – ze sztucznymi oczami i syntetycznymi hormonami – wyposażonego w żelowy mózg. Witamy w świecie żelowej robotyki.

Najszybciej do celu
Chemiczne komputery zawdzięczają moc liczenia fascynującemu złożonemu procesowi – tzw. reakcji Biełousowa-Żabotyńskiego (BZR). Opracowali ją dwaj Rosjanie: Borys Biełousow i Anatol Żabotyński. Ciąg procesów chemicznych, określany w żargonie fachowym jako „reakcja BZ”, przebiega tu w trzystopniowym cyklu, który wciąż się powtarza. Katalizator (np. światło) wywołuje w mieszaninie chemikaliów pierwszą reakcję, której produkty wywołują kolejną. Wynik pośredniego etapu staje się substancją wyjściową do następnego procesu. Cykl zamyka się, gdy ponownie rozpoczyna się pierwsza reakcja. Produkty reakcji mają różny kolor, dzięki czemu wyraźnie widać, jak w cieczy zachodzą poszczególne procesy chemiczne, przypominające czerwone lub niebieskie fale.

Badacze wykorzystali tę reakcję do stworzenia komputera, który potrafi m.in. znaleźć w labiryncie najkrótszą drogę do wyjścia. To zadanie sprawia duże problemy tradycyjnemu komputerowi – ten najpierw musi sprawdzić wszystkie możliwe drogi do wyjścia, a następnie wybrać najkrótszą.

Żel działa inaczej – w labiryncie fale rozchodzą się najkrótszą drogą. W połowie lat 90. ubiegłego wieku wykazał to – wykorzystując reakcję BZ – zespół naukowców pod kierunkiem Kennetha Showaltera, chemika z University of West Virginia w Morgantown. Naukowcy zbudowali wówczas labirynt z plastiku i napełnili go chemikaliami. Następnie przy wejściu do labiryntu umieścili „substancje startowe” (patrz „Chemia w labiryncie” s. 72). Kamera rejestrowała rozprzestrzenianie się reakcji, dzięki czemu badacze mogli ustalić, jak szybko i w jakim kierunku poruszały się fale reakcji BZ, a tym samym, w jaki sposób wybrały najkrótszą drogę przez labirynt.

Dylemat akwizytora
Eksperyment Showaltera pokazał, że komputery, których działanie uda się oprzeć na reakcji BZ, będą miały przewagę nad elektronicznymi kuzynami. Te ostatnie muszą przeprowadzić wiele obliczeń krok po kroku, by znaleźć rozwiązanie. Natomiast reakcja BZ przypomina równoczesną pracę kilku procesorów. Każdy punkt na szczycie żelowej fali odpowiada jednemu obliczeniu, które informuje na przykład, jak szybko został osiągnięty dany punkt w labiryncie. W ten sposób reakcja BZ dostarcza obliczeń, gdy fala jeszcze się rozprzestrzenia albo gdy napotyka ścianę labiryntu i nagle zmienia swój kierunek.

Teoretycznie reakcja BZ nadaje się idealnie do rozwiązywania złożonych zadań, z którymi nie najlepiej radzą sobie informatycy. Należy do nich np. „problem przedstawiciela handlowego”. Codziennie pokonuje on wiele kilometrów samochodem, musi więc znaleźć najkrótszą drogę, na dodatek taką, aby w danej miejscowości być tylko raz. Rozwiązanie podobnych zadań wymaga od tradycyjnych komputerów sporego nakładu czasu: najpierw muszą obliczyć długość każdej drogi, a następnie wybrać tę najkrótszą. Komputer działający na zasadzie reakcji BZ rozstrzygnąłby problem szybciej: odpowiednia ciecz zostałaby po prostu wlana w odpowiednią mapę i wzbudzona. Niestety, komputery tego rodzaju mają dużą wadę: dla każdego problemu trzeba zbudować nowy model, odpowiedni „labirynt”. Z tego powodu wielu badaczy uważa tę metodę za mało praktyczną.

Ale Andrew Adamatzky jest przekonany o słuszności swoich teorii.
– Każda kropla cieczy jest paralelnie działającym, wydajnym, a oprócz tego tanim komputerem – wyjaśnia. W połowie lat 90. we współpracy z Benem De Lacy Costello, chemikiem z University of the West of England, Adamatzky zaczął budować chemiczny procesor. Później dołączył do nich Nicholas Rambidi, fizyk z Uniwersytetu Moskiewskiego im. M. Łomonosowa. Udało im się zbudować robota, sterowanego przez pojemnik pełen substancji chemicznych, który jeździł samodzielnie po laboratorium (patrz ilustracja na stronie obok). Skonstruowali także robota wyposażonego w dłoń i żelowy mózg, który dość wiernie naśladował interakcje między ludzką ręką i ludzkim mózgiem. Fotoczujniki w dłoni tego robota rejestrowały kolorowe fale, które przebiegały przez płynny mózg. Przekazywały informację o nich do minijednostki sterującej, która „nakazywała” palcom poruszać się w „rytm” żelu. Ten z kolei był wyposażony w katalizatory, które ponownie wywoływały reakcję BZ. Mamy więc w tym przypadku do czynienia z samoregulującym się, zamkniętym obiegiem.

Innym wcieleniem żelowego komputera Adamatzky’ego jest robot z dwoma mózgami, działającymi dzięki reakcji BZ. Potrafił on znaleźć drogę w pomieszczeniu pełnym mebli. Jeden z mózgów prowadził robota w kierunku celu, podczas gdy drugi dbał o to, by omijał przeszkody.

Chemiczne procesory doskonale radzą sobie z tego typu prostymi zadaniami. Adamatzky stwierdził jednak, że aby dokonywać złożonych obliczeń, jego komputer potrzebuje bardziej zaawansowanej technologii: czegoś, co przypomina tzw. bramki logiczne.

Gra w bilard
Tradycyjne komputery wykorzystują w swoich obliczeniach „logical gates” – bramki logiczne. Bramka NIE jest operatorem, który cyfrowe „0” zamienia w cyfrowe „1”: „NIE 1” daje więc „0”, a „NIE 0” daje „1”. Bramka LUB, czyli „1 LUB 0”, daje zawsze 1, gdy przynajmniej jedna z dwóch wprowadzonych cyfr na jej wejściu to 1. Zupełnie jak w przypadku zdania „Karl albo Egon jest chory”, które jest prawdziwe, jeśli przynajmniej jeden z nich zachorował.

Za pomocą bramek logicznych można skonstruować wszystkie rodzaje obwodów elektronicznych. Jednak czy będą one działać w przypadku chemicznych komputerów? Badacze szukają odpowiedzi na to pytanie. Próbują konstruować obwody, w których fale BZ rozprzestrzeniają się kanałowo, podobnie jak elektrony w zwykłych przewodach. Kanały krzyżują się w punktach zderzenia fal. Działają jak bramki logiczne, ponieważ rozliczają tylko „zera” i „jedynki” oraz dostarczają wynik, chociaż jest to tylko słaba imitacja działania tradycyjnego komputera.

Pracując nad problemem, Adamatzky zapoznał się z pracami teoretycznymi Tommaso Toffoli i Edwarda Fredkina, fizyków z Boston University w...

Ten artykuł dostępny jest tylko dla Prenumeratorów.

Sprawdź, co zyskasz, kupując prenumeratę.

Zobacz więcej

Przypisy