Các kỹ sư tại Đại học Massachusetts Amherst vừa phát triển một nơron nhân tạo hoạt động gần như y hệt nơron tự nhiên của con người. Đột phá này dựa trên nghiên cứu trước đó, trong đó nhóm đã tạo ra dây nano protein từ loại vi khuẩn có khả năng sinh điện. Phát hiện mới mở ra triển vọng thiết kế những máy tính tiết kiệm năng lượng vượt trội, thậm chí có thể tương tác trực tiếp với tế bào sống.

“Bộ não chúng ta xử lý một lượng dữ liệu khổng lồ,” Shuai Fu, nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện và máy tính tại ĐH Massachusetts Amherst, đồng thời là tác giả chính của công trình đăng trên tạp chí Nature Communications, cho biết. “Nhưng năng lượng mà nó tiêu thụ cực kỳ thấp — đặc biệt nếu so với lượng điện cần để vận hành một mô hình ngôn ngữ lớn như ChatGPT.”

Về mặt hiệu suất năng lượng, cơ thể con người vượt xa công nghệ hiện nay. Bộ não chứa hàng tỷ nơron — các tế bào chuyên biệt có nhiệm vụ truyền và nhận tín hiệu điện trong cơ thể. Dù phức tạp như vậy, não người chỉ cần khoảng 20 watt để thực hiện các tác vụ như viết một câu chuyện. Trong khi đó, một mô hình ngôn ngữ lớn có thể tiêu thụ hơn 1 megawatt điện để hoàn thành công việc tương tự.

Thách thức về hiệu suất

Các kỹ sư điện và máy tính từ lâu đã tìm cách ứng dụng nơron nhân tạo vào các mạch máy tính hiệu quả hơn, nhưng vấn đề luôn nằm ở điện áp. Điều này khiến những nỗ lực lâu nay vừa thiếu hiệu quả, vừa không thể kết nối trực tiếp với nơron thật, vốn rất nhạy cảm với cường độ điện cao.

“Các phiên bản nơron nhân tạo trước đây tiêu tốn điện áp gấp 10 lần — và năng lượng gấp 100 lần — so với nơron mà chúng tôi tạo ra,” Jun Yao, phó giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại ĐH Mass Amherst, đồng thời là đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

“Nơron của chúng tôi chỉ sử dụng điện áp 0,1 volt, gần như tương đương với nơron sinh học trong cơ thể,” Yao nói.

Công trình của Fu và Yao mở ra hàng loạt hướng ứng dụng — từ việc thiết kế máy tính mô phỏng sinh học tiết kiệm năng lượng hơn, cho đến thiết bị điện tử có thể giao tiếp trực tiếp với cơ thể con người.

“Hiện nay, chúng ta có rất nhiều thiết bị điện tử đeo trên người để cảm biến sinh học,” Yao nói. “Nhưng chúng vẫn khá cồng kềnh và kém hiệu quả. Mỗi khi nhận tín hiệu từ cơ thể, chúng phải khuếch đại điện áp lên để máy tính có thể phân tích. Quá trình khuếch đại đó vừa tiêu tốn năng lượng, vừa làm mạch điện phức tạp hơn. Trong khi đó, cảm biến tích hợp nơron điện áp thấp của chúng tôi có thể hoạt động mà không cần khuếch đại.”

Thành phần chủ chốt của nơron điện áp thấp này là dây nano protein được tổng hợp từ vi khuẩn Geobacter sulfurreducens — loài sinh vật có khả năng tạo ra điện một cách tự nhiên.

Yao và các cộng sự đã sử dụng dây nano từ loại vi khuẩn này để chế tạo nhiều thiết bị có hiệu suất phi thường, chẳng hạn như màng sinh học chạy bằng mồ hôi có thể sạc thiết bị cá nhân; “mũi điện tử” có thể phát hiện bệnh tật; Và thiết bị có thể tạo ra điện từ không khí.

Fu và các cộng sự đã chế tạo được những nơron nhân tạo đầu tiên có thể giao tiếp trực tiếp với nơron sống. Tác giả ảnh: Jun Yao