Αυτό το κρύσταλλο μιμείται τη μάθηση και τη λήθη
Δεν χρειάζεσαι μυαλό για να μάθεις. Τα καλούπια λάσπης, για παράδειγμα, λύνουν λαβύρινθους και περιηγούνται σε εμπόδια — όλα αυτά χωρίς ούτε έναν νευρώνα. Οι πληροφορίες για το περιβάλλον τους αποθηκεύονται με κάποιο τρόπο στο σώμα τους. (Οι επιστήμονες εξακολουθούν να είναι λίγο μουντοί για το πώς λειτουργεί αυτό.)
Τι γίνεται όμως με κάτι που δεν είναι καν ζωντανό; Ένα νέο έγγραφο προτείνει ότι το οξείδιο του νικελίου του σαμαρίου (SNO, για συντομία), ένας συνθετικός κρύσταλλος, μπορεί να μιμηθεί τη μάθηση.
Η ικανότητα του SNO προέρχεται από την περιβαλλοντική του ευαισθησία. Όταν έρχεται σε επαφή με το αέριο υδρογόνο, κλέβει ηλεκτρόνια από το υδρογόνο και η ηλεκτρική του ειδική αντίσταση αυξάνεται. «Βασικά αλλάζει την ηλεκτρική αντίσταση του υλικού κατά πολλές τάξεις μεγέθους - και αυτό συμβαίνει ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου», δήλωσε ο Shriram Ramanathan, καθηγητής επιστήμης υλικών στο Πανεπιστήμιο Purdue και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Είναι ένα πραγματικά αξιοσημείωτο αποτέλεσμα».
Η διαδοχική έκθεση, ωστόσο, παράγει μειωμένες αποδόσεις - το SNO «εξοικειώνεται» στο υδρογόνο και η ειδική αντίστασή του αυξάνεται πιο αργά. «Μπορεί να θεωρήσετε δεδομένη αυτή τη συμπεριφορά», είπε ο Ramanathan. «[Αλλά] η εξοικείωση θεωρείται μια πολύ θεμελιώδης δεξιότητα επιβίωσης για τους οργανισμούς». Για παράδειγμα, τα σκυλιά μπορούν να εξοικειωθούν με δυνατούς κινητήρες αυτοκινήτων. Στην αρχή, μπορεί να είναι απειλητικά, έτσι τα σκυλιά ξοδεύουν ενέργεια γαβγίζοντας. Αλλά μετά από αρκετό καιρό, γενικά σταματούν. (Με αυτόν τον τρόπο, τα σκυλιά εξοικονομούν ενέργεια και προσοχή για πραγματικές απειλές, όπως οι ταχυδρόμοι.)
Φυσικά, υπάρχουν περισσότερα στη μάθηση από την απλή εξοικείωση. Υπάρχει επίσης μια λήθη - όταν έχετε περιορισμένο χώρο για μνήμη, είναι ζωτικής σημασίας να μπορείτε να αφήσετε χώρο για νέες μνήμες, και το SNO μπορεί να το κάνει επίσης:Μετά από ένα χρονικό διάστημα χωρίς έκθεση στο υδρογόνο, η ηλεκτρική αντίσταση του SNO μειώνεται. Ουσιαστικά, σταδιακά «ξεχνάει» τις επιπτώσεις της έκθεσής του στο υδρογόνο.
Το να το κάνουμε σταδιακά - σε αντίθεση με καταστροφικά, όπου οι πληροφορίες χάνονται ανεξέλεγκτα - είναι το κλειδί. Ο Ramanathan είπε ότι πιστεύει ότι η ικανότητα σταδιακής λήθης έχει «ευρείς επιπτώσεις». «Μαθαίνεις νέες πληροφορίες μέχρι την ημέρα που θα πεθάνεις», είπε. "Γιατί αυτό? Ένας μηχανισμός που μπορεί ενδεχομένως να το ενεργοποιήσει είναι ότι ξεχνάτε πληροφορίες που δεν είναι σημαντικές."
Το SNO μπορεί να είναι το πρώτο συνθετικό υλικό που τόσο συνηθίζεται όσο και σταδιακά ξεχνιέται—ιδιότητες που μοιάζουν με οργανισμούς είναι παράξενες να παρατηρούνται σε έναν άψυχο, συνθετικό κρύσταλλο. Έτσι οι ερευνητές επινόησαν τον όρο «οργανισμός» για να το περιγράψουν. Είναι όμως αυτές οι ιδιότητες αρκετές για μάθηση; Οι ερευνητές εξόπλισαν ένα τεχνητό νευρωνικό δίκτυο με αυτές τις ιδιότητες ως δοκιμή.
Το τροφοδότησαν δύο σετ κανόνων ή αλγορίθμων. Ένας αλγόριθμος, γνωστός ως εξαρτώμενη από τον χρόνο ακίδας πλαστικότητα (STDP), δεν σχεδιάστηκε για να ξεχνά σταδιακά τις πληροφορίες. Όταν οι ερευνητές του έδειξαν τρία ψηφία - 0, 1 και μετά 2 - το νευρωνικό δίκτυο θυμόταν καλά, πάρα πολύ καλά.
Δεν ήταν δυνατό να ξεχάσει το 0 όταν εμφανίζεται ένα άλλο ψηφίο, ο αλγόριθμος STDP μπέρδεψε το 0 και το 1 και, στη συνέχεια, εμφανίζοντας το επόμενο ψηφίο, μπέρδεψε και τα τρία.
Αλλά ο δεύτερος αλγόριθμος, που ονομάζεται προσαρμοστική συναπτική πλαστικότητα (ASP), χρησιμοποίησε την ικανότητα του SNO να θυμάται και να ξεχνάει σταδιακά πληροφορίες και ήταν σε θέση να αναπαραστήσει κάθε διαδοχικό ψηφίο με μικρό πρόβλημα. Η επιτυχία του ASP ήταν το αποτέλεσμα της εξισορρόπησης της συνήθειας και της λήθης.
Αρχικά, το ASP θυμόταν το πρώτο ψηφίο, 0, αν και όχι τόσο έντονα όσο το STDP. Αλλά όταν εμφανίστηκε ένα δεύτερο ψηφίο, το ASP κατάφερε να ξεχάσει μερικά από τα 0 για να κάνει χώρο για 1. Αντί να συνδυάσει τα ψηφία μαζί, το ASP διατήρησε τα παλιά ψηφία και αντιπροσώπευε νέα.
Αλλά ακόμα κι αν μπορεί να ξεχάσει και να συνηθίσει, το SNO πραγματικά «μαθαίνει»; Ό,τι κι αν είναι, απέχει πολύ από το να μάθουν τα καλούπια λάσπης να αναγνωρίζουν μια ποικιλία διαφορετικών ουσιών ως αβλαβή, μια πολύ πιο περίπλοκη εργασία. Αλλά, αν θεωρήσουμε ότι η μάθηση είναι απλώς «μια αλλαγή στη συμπεριφορά που προκαλείται από την εμπειρία», όπως την έχουν ορίσει οι ερευνητές της μούχλας, τότε το SNO το κάνει μάθετε.
Ο Χέρμπερτ Σάιμον, ένας πολυμαθής γνωστός για την τεχνογνωσία του στην τεχνητή νοημοσύνη, έγραψε κάποτε:«Τα ανθρώπινα όντα, θεωρούμενα ως συστήματα συμπεριφοράς, είναι αρκετά απλά. Η φαινομενική πολυπλοκότητα της συμπεριφοράς μας με την πάροδο του χρόνου είναι σε μεγάλο βαθμό αντανάκλαση της πολυπλοκότητας του περιβάλλοντος στο οποίο βρισκόμαστε."
Μπορεί να είναι ενοχλητικό που ο SNO -χωρίς εγκέφαλο ή ακόμα και ζωντανά κύτταρα- μπορεί να μάθει. Πόσο ξεχωριστοί είμαστε αν μπορούν να μάθουν και δύο στρώματα ατόμων; Αλλά και πάλι, μόνο και μόνο επειδή οι άνθρωποι δεν έχουν το μονοπώλιο στη μάθηση δεν σημαίνει ότι δεν είμαστε μοναδικοί. Ανακαλύψαμε το SNO.
Ο Dan Garisto είναι ασκούμενος στο Ναυτίλος.
ΠΡΟΣΟΧΗ:Ο Richard Saykally, χημικός στο UC Berkeley, σχετικά με το τι μας διδάσκει το νερό για τον δεσμό υδρογόνου.
