Forskare vid Northwestern University rapporterar att de har skrivit ut flexibla "artificiella neuroner" som genererar realistiska elektriska signalmönster och kan utlösa respons i levande hjärnvävnad från möss. Teamet uppger att arbetet, som publicerades den 15 april i Nature Nanotechnology, skulle kunna bidra till utvecklingen av hjärna-datorgränssnitt och mer energieffektiv, hjärninspirerad datorteknik.
Ingenjörer ledda av Mark C. Hersam vid Northwestern University rapporterar att de har skapat flexibla artificiella neuroner genom att använda aerosol-jettryck på polymersubstrat med elektroniska bläck tillverkade av nanoskala-flingor av molybdendisulfid (MoS₂) och grafen.
Enligt forskarna utnyttjade de en materialegenskap som andra vanligtvis avlägsnar: istället för att bränna bort den stabiliserande polymeren efter utskrift, sönderdelade de den delvis. Hersam förklarade att polymeren vid strömtillförsel sönderdelas ytterligare på ett rumsligt ojämnt sätt, vilket bildar en ledande glödtråd som begränsar strömmen till ett smalt område och producerar en plötslig, neuronliknande elektrisk respons.
Teamet rapporterade att de utskrivna komponenterna kan generera en rad olika signalmönster – enstaka spikar, kontinuerlig fyrning och skurar – avsedda att efterlikna hur biologiska neuroner kommunicerar. Hersam kontrasterade hjärnans "heterogena, dynamiska och tredimensionella" organisation med konventionell datorteknik byggd av "miljarder identiska komponenter" på styva kiselchip.
För att testa den biologiska kompatibiliteten samarbetade forskarna med neurobiologen Indira M. Raman. Ramans grupp applicerade de artificiella neuronernas spänningssignaler på snitt av lillhjärnan från möss, och teamet rapporterade att de artificiella spikarna matchade viktiga biologiska egenskaper, inklusive timing och varaktighet, och tillförlitligt utlöste aktivitet i levande neuroner.
Forskarna menar att metoden skulle kunna stödja framtida neuroproteser och hjärna-datorgränssnitt, samt bidra till hjärninspirerad datorteknik i syfte att sänka energiförbrukningen. Hersam uppgav att hjärnan är "fem storleksordningar" mer energieffektiv än en digital dator och hävdade att kraft- och kylbehoven för storskalig AI-beräkning driver företag mot datacenter i gigawatt-skala, med tillhörande krav på värmehantering och vatten.
Teamet betonade även produktionsfördelar kopplade till tryckmetoden: eftersom aerosol-jettryck är en additiv process som endast deponerar material där det behövs, uppgav de att det kan minska spill och möjliggöra kostnadseffektiv tillverkning. Studiens genomförande stöddes av National Science Foundation, uppger forskarna.