Ученые БФУ им. И. Канта сделали еще один шаг на пути создания нейрохимического компьютера

Редкий футуролог, рисуя картину будущего (отдаленного и не очень), устоит перед соблазном испугать читателя растущей мощью искусственного разума. При этом почти всегда подразумевается разум, созданный на основе обыкновенных, классических компьютерных систем, у истоков которых стоял математик Джон фон Нейман. Между тем, искусственный разум может работать на принципиально иных началах. В Центре нелинейной химии БФУ им. И. Канта уже несколько лет пытаются создать компьютер, в основе работы которого лежит химическая реакция Белоусова-Жаботинского. Еще в 1951 году советский химик Борис Белоусов, пытаясь смоделировать в лабораторных условиях метаболический процесс, обнаружил нечто странное. Раствор, в котором проходила одна из реакций, периодически менял свою окраску — переходил от бесцветному к желтому и обратно. То есть, процесс, дойдя до конца, как бы самоотменялся, и всё начиналось заново. На тот момент многие ученые считали такое невозможным, необъяснимым, поэтому у Белоусова возникли серьезные проблемы с публикацией результатов своих исследований. Позже другой выдающийся биофизик Анатолий Жаботинский воспроизвел опыты Белоусова и дал объяснение периодическим колебаниям в растворе. Таким образом, были заложены основы нелинейной химии.

Никакой магии

Принцип работы нейрохимического компьютера основан на взаимодействии осцилляторов — капелек раствора, в которых протекает колебательная реакция Белоусова-Жаботинского. Непосвященным она может показаться магией. Но ничего чудесного в ней, разумеется, нет.

«Там задействовано всего четыре элемента. Причем совершенно обычных и очень дешевых — малоновая кислота, бромат, серная кислота и катализатор, — поясняет руководитель Центра нелинейной химии БФУ им. И. Канта профессор Владимир Ванаг. — Но чтобы реакция была колебательной, важно соблюсти три условия. Во-первых, должен быть автокатализ — положительная обратная связь. Это когда какой-нибудь продукт «А» на выходе дает два продукта «А». При этом скорость реакции пропорциональна концентрации молекул «А». Второе обязательное условие — наличие отрицательной обратной связи, которая возвращает всё в исходное состояние. Но главное — чтобы эти два типа обратной связи действовали не одновременно, а одна за другой. Если правильно организовать этот процесс, то система Белоусова-Жаботинского начинает вести себя колебательным образом, периодически давая острые спайки».

Переключая режимы

Совсем недавно в одном из самых известных научных журналов Physical Chemistry Chemical Physics вышла статья Владимира Ванага, которую он написал вместе со своими аспирантами — Павлом Смеловым и Иваном Проскуркиным.

«Осцилляторы (или — микроосцилляторы), если они в сети, могут обладать различными динамическими режимами при одних и тех же параметрах, — рассказывает Владимир Карлович. — И нужно уметь переключаться от одного режима в другой в зависимости от условий, в которых находится сеть. Раньше никто этого делать не умел. А мы в своей статье показали, что это возможно — на примере очень простой сети, состоящей из четырех микроосциляторов. Теперь мы знаем как воздействовать на систему, чтобы она вела себя определенным образом и могла бы приспосабливаться к внешним условиям, то есть, в известном смысле вести себя разумно. Словом, это еще один шаг к созданию нейрохимического компьютера».

Принцип иероглифа

Можно задаться вопросом: а зачем нужен такой компьютер, когда есть обыкновенные? Чем нейрохимический будет лучше? Ответ может многих удивить: тем же, чем человеческий мозг лучше (во всяком случае, пока) обыкновенного компьютера. Да, мы считаем медленней, чем вычислительная машина, но зато мы можем решать много задач одновременно. Представляется, что нейрохимический компьютер тоже будет многозадачным, параллельным.

«Если в химический компьютер поместить очень много элементов (например, миллионы), которые будут работать одновременно, то скорость его работы превзойдет скорость обыкновенного компьютера, — уверен профессор Ванаг. — Представьте, что перед вами стоит сложная задача, требующая введения многих параметров для расчета. В этом случае вы будете вводить их в обычный компьютер один за другим, и машина также последовательно будет решать поставленные задачи — одну за другой. А нейрохимический компьютер сможет впитать в себя всю информацию сразу. В чем-то я здесь вижу сходство с иероглифами, которые представляют собой образы и вскрывают в нашем мозге целые смысловые пласты».

Без вирусов и электричества

Впрочем, этим преимущества нейрохимического компьютера не исчерпываются. Ему не будут страшны вирусы, он не будет нуждаться в электричестве, а это означает, что он будет гораздо более экономичным, чем обыкновенный компьютер. Но самый, возможно, большой плюс в том, что на эмоциональном уровне такой искусственный интеллект в силу своей параллельности будет человеку понятней и ближе.

«Обратите внимание, что никто не знает, как работает человеческий мозг, — продолжает Владимир Карлович. — Поэтому мы заходим с другой стороны — мы пытаемся понять, как работают небольшие сети химических осцилляторов и какие функции могут выполнять такие сети. Шаг за шагом мы повышаем сложность (например, увеличиваем количество осцилляторов в сети) и анализируем, что могут сделать такие сети. И уже сейчас мы видим, что даже относительно простые сети могут выполнять «когнитивные» функции, такие как распознавание изображений и принятие решений. Можно предположить, что наш мозг работает примерно по такому же принципу. И, если мы сумеем понять, как работает наша система, это поможет нейробиологам».

Работа над созданием нейрохимического компьютера еще далека до завершения. И пока сложно сказать, где именно подобного рода системы будут применяться, и смогут ли они вытеснить обыкновенные, основанные на архитектуре фон Неймана машины.

«Скорее всего, обе технологии будут развиваться параллельно, — полагает Ванаг. — Обыкновенные компьютеры очень быстро считают, а химические — многозадачны. Если их объединить, допустим, в одном киборге, то это будет серьезный прорыв. Нейрохимические компьютеры очень маленькие, их можно будет вживлять в человека, или принимать внутрь в виде капсулы. Но пока все это, разумеется, только фантазии».