§ 8.6. Биоэлектроника

Биоэлектроинка – тірі организмдердің тіршілік әрекеті мен структураның талдауы негізінде электроника тапсырмаларын шешуші бионика бағытының бірі. Биоэлектроника адамдар мен жануарлардың нерв жүйесін зерттеу мәселелерін және алдағы электронды есептегіш техникаларды жетілдіру үшін, жаңа элементтер және автоматика мен телемеханика құрылғысы өңдеу үшін нерв клеткаларын модельдеуді қамтиды.

Нерв жүйесін зерттей отырып, ең жетілдіруші есептегіш құрылғылар алдында бағалы ерекшеліктер мен артықшылықтарға ие екендігін көрсетеді. Олардың негізгілері мынала:

1)өзі түсетін формадан тәуелсіз ішкі ақпараттың жетілгіш және иілгіштігін қабылдау;

2)техникалық жүйенің сенімділігін едәуір арттырушы жоғары сенімділік;

3)элементтердің кішкентай болуы (миниатюрность);

4)жұмыс үнемділігі;

5)жаңа жағдайларға тез бейімделу.

Нерв жүйесі нейрон деп аталатын клеткалардан тұрады. Нейрондар қайда болмасын, барлық жерлерде де бірдей структуралара мен шамамен бірдей логикалық сипаттамаларға ие болады. Олар универсалды логикалық элемент болып табылады. Нейрондар негізінде қарапайым және ретке келтірілген нейрондық желілер тұрғызады.

8.26 – суретте нейрондардың схемалық кескіні көрсетілген. Луковицеобразды бөлігі ұяшық денесі болып табылады және сома деп аталады. Оның диаметрі байланыстырушы нейрондарға арналған 10 мкм және моторлы нейрондарға арналған 70 мкм болады. Нейрон денесінен алыс кетуші өскіндер дендрит деп аталып, нейронның кіріс байланысын білдіреді. Сомоның бір жағынан алыстаушы ұзын өскін аксон деп аталады және шығыс сигналды басқа нейрондарға беру үшін қызмет етеді; аксонның ұзындығы 1,8м және одан да көп болуы мүмкін. Аксон ақырын тарылады, және нейрон денесінен 50 – 100 мкм қашықтықта изолирлеуші қабат басталады. Нейронның өзі оны қоршаушы жіңішке мембрана сұйықтығынан изолирленген және зат алмасу процесіне орай оның ішінде калийдің теріс иондарының артық концентрациясы болады, дегенмен нейронды қаптаушы сұйықтықта натрий ионының қалдығы болады. Калий иондарының диффузиясын болдырмау үшін мемрана арқылы онда 70 мВ шамасында бөгеуш потенциал юолады. Аксон өзінің табиғаты бойынша электрлік тізбектің байланыс сымының аналогы болып табылады. Соңына қарай ол тармақталады және өте кіші тармақтар басқа нейрондармен контакт құрады.

8.26 – сурет. Нейронның схемалық кескіні:

1 – дендриттер; 2 – нейрон денесі (сома); 3 – аксон

Нейрондар көбіне электронды логикалық элементтер секілді. Белгілі бір әдіспен нейронды байланыстыруды орындай отырып, есептеуіш машинаның қарапайым схемасының біреуінің аналогты қасиетіне ие екендігін анықта қиын емес. Дегенмен нейрон өзге де қасиетерге ие, мысалы, кіріс амплитудасының өзгерісі бар шығыс сигналының жиілігінің көбею қасиеті, кіріс сигналды суммалау және т.б. Мұның бәрі қарапайым логикалық схемаға қарағанда нейрон күрделі элемент екенін көрсетеді. Нейрон ақпаратты аналогты формада бере алады. Нейрондардың адаптивті қасиетін белгілер мен кескіндерді тануға арналған құрылғыларды жасау кезінде және үйренуші машналарды тұрғызу кещінде де қолданылуы мүмкін. Егер интегралды микросхеманы нейронмен салыстыралытн болсақ, нейрондағы шашырау қуаты 10⁷ есеге аз, ал интеграция деңгейі 10⁷ есе көп.

Зерттеу бойынша нейронның моделі МДП – транзисторында екі интегралды микросхема түрінде орындау мүмкіндігін көрсетті.

Бірінші микросхема (импульсті сумматор) биологиялық нейронның синапсын модельдейді. Екінші микросхема (табалдырықты құрылғы) нейронның денесін модельдейді. Ол талап етілуші жіберуші сипаттаманы «кернеу - кернеу» формалайды және кернеуді жиілікке түрлендіреді.

Бұл микросхемаларды қолдана отырып, нейронның белгілі бір класының сипаттамаларына жақын шығыс жиіліктік сипаттамаларын алуға болады.

Қазіргі уақытта биоэлектрониканың әртүрлі бағытында көптеген зерттеулер жүргізілуде.