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Nanodrahtnetzwerke lernen und erinnern sich wie das menschliche Gehirn

25.04.2023

Ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung der Universität Sydney testete die Fähigkeit eines Nanodrahtnetzwerks, komplexe kognitive Aufgaben auszuführen, die für ein komplexes Nervensystem charakteristisch sind. Die Analyse zeigte, dass Netzwerke, die die physische Struktur des Gehirns nachahmen, Daten lernen und sich merken können.

Um ihr Netzwerk zu testen, verwendeten die Wissenschaftler ein modifiziertes Analogon des N-Back-Problems. Dies ist ein beliebtes Experiment in der Neurophysiologie und Psychologie zur Bewertung des Gedächtnisses. Während des Tests muss der Proband, dem eine Reihe von Bildern präsentiert wird (Sehtest) oder Gegenstände benennt (Hörtest), angeben, wann er vor n Schritten auf dieses oder jenes Objekt gestoßen ist.

Eine solche Aufgabe kann beispielsweise darin bestehen, eine Buchstabenfolge zu demonstrieren, und der Person sollte mitgeteilt werden, wann vor 1, 2 oder mehr Schritten auf denselben Buchstaben gestoßen ist. Die durchschnittliche Punktzahl für die meisten Leute bei dieser Aufgabe beträgt 7. Das bedeutet, dass die meisten Leute dasselbe Bild wiedererkennen können, das vor sieben Schritten erschien.

Die Forscher fanden heraus, dass das Nanodrahtnetzwerk auch in der Lage war, sich den gewünschten Endpunkt in einem Stromkreis sieben Schritte zurück zu „merken“. „Wir haben die Endelektrodenspannungen manipuliert, um eine Änderung der Pfade zu erzwingen, anstatt das Netzwerk einfach seine Arbeit machen zu lassen“, erklärt Alon Loeffler, Co-Autor der Studie.

Eine Reihe von Experimenten zeigte, dass das Nanonetz unter äußerem Einfluss „lernte“ und sein Gedächtnis „gestärkt“ wurde: Das Netzwerk merkte sich die von den Wissenschaftlern vorgeschlagenen Pfade und im Laufe der Zeit nahm die bestehende Verbindung nicht ab. Dies erinnert an die Arbeit eines synaptischen Netzwerks, stellen Wissenschaftler fest, dass einige Verbindungen gestärkt, andere geschwächt werden und dadurch im Lernprozess stabile Verbindungen entstehen.

Nanodrahtnetzwerke sind eine Art Nanotechnologie und bestehen normalerweise aus winzigen, hochleitfähigen Silberdrähten. Für das bloße Auge unsichtbar sind mit einem Kunststoffmaterial beschichtete Partikel in ungeordneter Weise verstreut und bilden ein Gitter. Aufgrund ihrer Eigenschaften ahmen solche Drähte die physikalischen Eigenschaften des Gehirns nach: ein Netzwerk von Neuronen, die über Synapsen verbunden sind.

Der Einsatz solcher Netzwerke eröffnet viele reale Anwendungen: zum Beispiel die Entwicklung von Robotergeräten und Sensoren, die unter unvorhersehbaren Bedingungen schnelle Entscheidungen treffen müssen.

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Neueste Nachrichten aus Wissenschaft und Technik, neue Elektronik:

Die Existenz einer Entropieregel für die Quantenverschränkung wurde nachgewiesen 09.05.2024

Die Quantenmechanik überrascht uns immer wieder mit ihren mysteriösen Phänomenen und unerwarteten Entdeckungen. Kürzlich stellten Bartosz Regula vom RIKEN Center for Quantum Computing und Ludovico Lamy von der Universität Amsterdam eine neue Entdeckung vor, die sich mit der Quantenverschränkung und ihrem Zusammenhang mit der Entropie befasst. Quantenverschränkung spielt eine wichtige Rolle in der modernen Quanteninformationswissenschaft und -technologie. Aufgrund der Komplexität seiner Struktur ist es jedoch schwierig, es zu verstehen und zu verwalten. Die Entdeckung von Regulus und Lamy zeigt, dass die Quantenverschränkung einer Entropieregel folgt, die der für klassische Systeme ähnelt. Diese Entdeckung eröffnet neue Perspektiven im Bereich der Quanteninformationswissenschaft und -technologie und vertieft unser Verständnis der Quantenverschränkung und ihrer Verbindung zur Thermodynamik. Die Ergebnisse der Studie weisen auf die Möglichkeit der Reversibilität von Verschränkungstransformationen hin, was ihre Verwendung in verschiedenen Quantentechnologien erheblich vereinfachen könnte. Eine neue Regel öffnen ... >>

Mini-Klimaanlage Sony Reon Pocket 5 09.05.2024

Der Sommer ist eine Zeit der Entspannung und des Reisens, doch oft kann die Hitze diese Zeit zu einer unerträglichen Qual machen. Lernen Sie ein neues Produkt von Sony kennen – die Mini-Klimaanlage Reon Pocket 5, die verspricht, den Sommer für ihre Benutzer angenehmer zu gestalten. Sony hat ein einzigartiges Gerät vorgestellt – den Reon Pocket 5 Mini-Conditioner, der an heißen Tagen für Körperkühlung sorgt. Damit können Benutzer jederzeit und überall Kühle genießen, indem sie es einfach um den Hals tragen. Diese Mini-Klimaanlage ist mit einer automatischen Anpassung der Betriebsmodi sowie Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren ausgestattet. Dank innovativer Technologien passt Reon Pocket 5 seinen Betrieb an die Aktivität des Benutzers und die Umgebungsbedingungen an. Benutzer können die Temperatur einfach über eine spezielle mobile App anpassen, die über Bluetooth verbunden ist. Darüber hinaus sind speziell entwickelte T-Shirts und Shorts erhältlich, an denen ein Mini-Conditioner angebracht werden kann. Das Gerät kann oh ... >>

Energie aus dem Weltraum für Raumschiff 08.05.2024

Mit dem Aufkommen neuer Technologien und der Entwicklung von Raumfahrtprogrammen wird die Erzeugung von Solarenergie im Weltraum immer machbarer. Der Leiter des Startups Virtus Solis teilte seine Vision mit, mit dem Raumschiff von SpaceX Orbitalkraftwerke zu bauen, die die Erde mit Strom versorgen können. Das Startup Virtus Solis hat ein ehrgeiziges Projekt zur Schaffung von Orbitalkraftwerken mit dem Starship von SpaceX vorgestellt. Diese Idee könnte den Bereich der Solarenergieerzeugung erheblich verändern und sie zugänglicher und kostengünstiger machen. Der Kern des Plans des Startups besteht darin, die Kosten für den Start von Satelliten ins All mithilfe von Starship zu senken. Es wird erwartet, dass dieser technologische Durchbruch die Solarenergieproduktion im Weltraum gegenüber herkömmlichen Energiequellen wettbewerbsfähiger machen wird. Virtual Solis plant den Bau großer Photovoltaikmodule im Orbit und nutzt Starship für die Lieferung der notwendigen Ausrüstung. Allerdings eine der größten Herausforderungen ... >>

Neue Methode zur Herstellung leistungsstarker Batterien 08.05.2024

Mit der Entwicklung der Technologie und dem zunehmenden Einsatz von Elektronik wird die Frage der Schaffung effizienter und sicherer Energiequellen immer dringlicher. Forscher der University of Queensland haben einen neuen Ansatz zur Herstellung von Hochleistungsbatterien auf Zinkbasis vorgestellt, der die Landschaft der Energiebranche verändern könnte. Eines der Hauptprobleme herkömmlicher wiederaufladbarer Batterien auf Wasserbasis war ihre niedrige Spannung, die ihren Einsatz in modernen Geräten einschränkte. Doch dank einer neuen, von Wissenschaftlern entwickelten Methode konnte dieser Nachteil erfolgreich überwunden werden. Im Rahmen ihrer Forschung wandten sich Wissenschaftler einer speziellen organischen Verbindung zu – Catechol. Es erwies sich als wichtige Komponente, die die Stabilität der Batterie verbessern und ihre Effizienz steigern kann. Dieser Ansatz hat zu einer deutlichen Spannungserhöhung der Zink-Ionen-Batterien geführt und sie damit wettbewerbsfähiger gemacht. Laut Wissenschaftlern haben solche Batterien mehrere Vorteile. Sie haben b ... >>

Alkoholgehalt von warmem Bier 07.05.2024

Bier, eines der häufigsten alkoholischen Getränke, hat einen ganz eigenen Geschmack, der sich je nach Temperatur des Konsums verändern kann. Eine neue Studie eines internationalen Wissenschaftlerteams hat herausgefunden, dass die Biertemperatur einen erheblichen Einfluss auf die Wahrnehmung des alkoholischen Geschmacks hat. Die vom Materialwissenschaftler Lei Jiang geleitete Studie ergab, dass Ethanol- und Wassermoleküle bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Arten von Clustern bilden, was sich auf die Wahrnehmung des alkoholischen Geschmacks auswirkt. Bei niedrigen Temperaturen bilden sich eher pyramidenartige Cluster, wodurch die Schärfe des „Ethanol“-Geschmacks abnimmt und das Getränk weniger alkoholisch schmeckt. Im Gegenteil, mit steigender Temperatur werden die Cluster kettenförmiger, was zu einem ausgeprägteren alkoholischen Geschmack führt. Dies erklärt, warum sich der Geschmack einiger alkoholischer Getränke, wie z. B. Baijiu, je nach Temperatur ändern kann. Die Erkenntnisse eröffnen Getränkeherstellern neue Perspektiven, ... >>

Zufällige Neuigkeiten aus dem Archiv

Fernbedienung des Gehirns 24.08.2017

Wenn wir sehen, wie jemand das Gehirn eines anderen aus der Ferne kontrolliert, jemand anderen gegen seinen Willen rennen, springen, mit den Armen schwenken lässt usw., bedeutet dies, dass wir uns einen Science-Fiction-Film oder eine Art mystische Fantasie ansehen. Obwohl die moderne Wissenschaft alles tut, um eine solche Fantasie wahr werden zu lassen.

Forscher der State University of New York in Buffalo haben gelernt, die Maus buchstäblich zu kontrollieren – mit der Methode der magnetischen Temperaturstimulation. Ganz ohne Gentechnik ging es nicht: Den Tieren wurde das Gen für ein Protein eingeschleust, das den Ionenfluss durch die Zellmembran steuert und gleichzeitig auf Temperatur reagiert.

Einmal in der Membran von Nervenzellen angekommen, regte ein solcher Ionenkanal bei Erwärmung deren Aktivität an: Das Ionentor öffnete sich, die Ionen ordneten sich neu an, die Potentialdifferenz außerhalb und innerhalb der Membran änderte sich und die Zelle erzeugte einen elektrochemischen Impuls.

Die Heizung bestand aus magnetischen Nanopartikeln aus Kobaltferrit und Manganferrit. Die Nanopartikel wurden in einen bestimmten Bereich des Gehirns injiziert, in dem sich genetisch veränderte Neuronen befanden; Die Partikel blieben an der Oberfläche der Zellen haften, nun mussten sie nur noch in einem magnetischen Wechselfeld erhitzt werden – durch die schnellen Änderungen der Magnetisierung setzten die Nanopartikel Wärme frei und aktivierten wärmeempfindliche Ionenkanäle.

Arnd Pralle und seine Kollegen entwickeln diese Methode seit etwa zehn Jahren – es begann mit der Stimulation von Zellkolonien, die in Laborgläsern wuchsen, sie wurden durch Spulwürmer ersetzt, und jetzt ist es bei Mäusen angekommen.

Die Forscher experimentierten mit den motorischen Bereichen des Gehirns: So wurden Mäuse durch Einwirkung auf den motorischen Kortex zum Laufen gezwungen, und wenn sie durch das Striatum stimuliert wurden, begannen die Nagetiere, sich auf der Stelle zu drehen. Die Stimulation anderer Zonen versetzte die Mäuse in einen Stupor, so dass sie keine einzige Pfote bewegen konnten. Laut den Autoren der Arbeit blieben die Neuronen, die von Nanopartikeln und dem Feld beeinflusst wurden, trotz wiederholter Stimulation am Leben und gesund.

Der Vorteil der magnetischen Temperaturstimulation besteht darin, dass sie sehr kleine Nervengruppen mit einem Durchmesser von nur 100 Mikrometern aktivieren kann.

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