To, čo príroda zvláda s mozgom menším než špendlíková hlavička, sa dnes snažia napodobniť vedci v laboratóriách. A nejde o žiadnu kuriozitu. Výsledkom môžu byť počítačové čipy novej generácie, extrémne malé, neuveriteľne úsporné a schopné orientovať sa v priestore tak, ako to dokáže hmyz.
Včela ako navigačný génius
Včely patria medzi najlepších navigátorov v živočíšnej ríši. Neorientujú sa len podľa pamäti krajiny. Sledujú tiež polarizáciu svetla na oblohe, uhol slnka a rýchlosť vlastného letu. V ich mozgu tak vzniká akási biologická verzia navigačného systému.
„Včela si nájde cestu späť bez smartfónu alebo satelitnej navigácie,“ vysvetľuje Anders Mikkelsen, profesor na Univerzite v Lunde vo Švédsku. „Robí to sledovaním polarizácie oblohy a vlastného pohybu. Vďaka tomu sa nestratí.“
Práve tento princíp sa stal základom výskumu v projekte InsectNeuroNano, ktorý financuje Európska únia.
Prečo sú včelie mozgy efektívnejšie než moderné čipy?
Na prvý pohľad to znie paradoxne. Superpočítače zvládajú miliardy operácií za sekundu. A predsa:
- bežný ľahký navigačný čip – približne 80 gramov, spotreba vyše 7 wattov
- včela – menej než 1 gram, spotreba pod 0,01 wattu
Rozdiel je priepastný. „Predstavte si, že by sme dokázali vyrobiť čip tak efektívny ako mozog včely,“ hovorí Mikkelsen, ktorý iniciatívu koordinuje.
Jeden čip, jedna úloha
Dnešné procesory sú univerzálne. Dokážu všetko – od e-mailov až po video a hry. To však znamená zložitosť, vyššiu spotrebu energie aj väčšie rozmery.
Čip navrhnutý v projekte InsectNeuroNano ide opačnou cestou. Je navrhnutý len na jednu vec: Určiť svoju polohu v priestore. Podobne ako mozog včely. „Náš čip dokáže vykonávať iba jednu úlohu,“ vysvetľuje Mikkelsen. „Ale robí to mimoriadne energeticky efektívne a v extrémne malej veľkosti.“ To, čo by sa mohlo zdať ako obmedzenie, je v skutočnosti výhoda.
Ako čip „vidí“ svet?
Základom systému je kombinácia svetelného senzora a údajov o rýchlosti pohybu. Čip nepotrebuje satelity ani internetové pripojenie. Využíva podobnú logiku ako hmyz – analyzuje svetlo a vlastný pohyb.
Výsledok? Navigácia zabudovaná priamo do hardvéru. Bez neustáleho výpočtového zaťaženia.
Čo všetko sa deje, kým vám umelá inteligencia odpíše na správu? AI míňa svetové zásoby vody - ROZHOVOR
Od biológie k elektronike
Na projekte spolupracujú biológovia aj inžinieri. Jednou z nich je profesorka Elisabetta Chicca z Univerzity v Groningene v Holandsku. „Príroda už pre mnohé problémy našla riešenia, ktoré sú kompaktné a energeticky úsporné,“ hovorí. „Mozgy hmyzu sú jedným z nich.“ Preniesť tieto princípy do sveta čipov však nie je jednoduché. Mozog včely stále nie je úplne preskúmaný. „Musíme vytvárať hypotézy o tom, ako funguje, a potom ich testovať v modeloch,“ vysvetľuje Chicca.
Zaujímavé je, že tento proces pomáha aj opačne. Modely čipov totiž môžu biológom naznačiť, ako by mohli byť zapojené neurónové obvody v mozgu hmyzu.
Svetlo namiesto drôtov
Jednou z najväčších technologických inovácií projektu je využitie nanofotonických obvodov.
Klasické čipy prenášajú signály elektricky – cez mikroskopické drôty. InsectNeuroNano však používa svetlo.
Proces známy ako fotonické výpočty umožňuje:
– prenášať viac dát
– s nižšou spotrebou energie
– pri menšom prehrievaní
„Svetlom môžete posielať viac údajov energeticky efektívnejším spôsobom,“ vysvetľuje Mikkelsen. „Náš senzor navyše detekuje svetlo, takže rovnaké médium používame na vnímanie aj spracovanie.“ To výrazne zjednodušuje architektúru čipu.
Prvý prototyp už existuje
Výskumníkom sa podarilo vytvoriť laboratórny prototyp čipu, ktorý napodobňuje niektoré funkcie mozgu hmyzu. Teda nejde o teóriu na papieri, ale o reálne zariadenie. „Prešli sme od konceptu k niečomu, čo leží na laboratórnom stole,“ hovorí Mikkelsen. Napriek tomu zostáva cesta do praxe dlhá.
Aj keď vývoj napreduje, vedci hovoria otvorene: Nasadenie technológie môže trvať približne 10 rokov. Jednou z prekážok je, že výroba extrémne malých čipov s novými princípmi je technologicky náročná. Prototyp je len prvý krok.„Predtým, než budeme mať robotickú včelu lietajúcu okolo, musíme ešte urobiť veľa práce,“ priznáva Mikkelsen.
Na čo by sa taká technológia dala využiť?
Možnosti sú fascinujúce:
– Environmentálne senzory: Lacné, miniatúrne zariadenia monitorujúce kvalitu vzduchu, vody či pôdy.
– Roboty veľkosti hmyzu: Stroje schopné pohybovať sa v prostredí, kam sa človek nedostane.
– Poľnohospodárstvo: Umelé opeľovanie alebo presné monitorovanie plodín.
– Stavebníctvo: Mikroroboty pracujúce v ťažko dostupných priestoroch.
„Bolo by to ako mať včelí roj, ktorému môžete povedať, čo má robiť,“ opisuje Mikkelsen.
Prečo je tento výskum taký dôležitý?
Na prvý pohľad môže vývoj čipu inšpirovaného mozgom včely pôsobiť ako technologická zaujímavosť. V skutočnosti však reaguje na problémy, ktoré sa týkajú celej digitálnej spoločnosti. Moderné technológie sú čoraz výkonnejšie, no zároveň aj energeticky náročnejšie. Dátové centrá, senzory, inteligentné zariadenia či autonómne systémy spotrebúvajú obrovské množstvo elektriny. Súčasne rastie tlak na zmenšovanie – chceme menšie, ľahšie a mobilnejšie zariadenia, ktoré dokážu pracovať dlhšie bez nabíjania.
Práve tu vstupuje do hry inšpirácia prírodou. Biologicky motivované čipy ukazujú, že existuje aj iná cesta než neustále zvyšovanie výkonu za cenu vyššej spotreby. Mozog hmyzu je extrémne kompaktný, no pritom mimoriadne efektívny. Ak sa jeho princípy podarí preniesť do elektroniky, výsledkom môžu byť čipy, ktoré budú menšie, energeticky úspornejšie a zároveň optimalizované na konkrétne úlohy.
