10.8. Биоэлектроника

Это направление функциональной микроэлектроники находится в стадии становления, однако оно является одним из наиболее интересных и перспективных. Биоэлектроника возникла как одно из ответвлений более общей науки - бионики, исследующей спе­цифические явления, происходящие в живых организмах, и исполь­зующей эти явления в разнообразных научно-технических целях.

Современная биоэлектроника охва­тывает проблемы изучения нервной си­стемы человека, животных, а также мо­делирование нервных клеток (нейронов и нейронных сетей) для дальнейшего совершенствования электронных прибо­ров и устройств, особенно в области электронной вычислительной техники.

Почти для всех биологических видов нервная система представляет собой сеть нейронов. Строение и функционирова­ние отдельного нейрона показано на рис. 10.21. Нейрон состоит из тела клет­ки (сомы (2)) и имеет один или несколько входных отростков (дендритов (1)), а так­же выход- ных отростков (аксонов(3)). Место перехода аксона одного нейрона в дендрит другого называетсясинапсом. Тело клетки - это место сбора информации нейроном, поэтому на нем сгруппи­рованы сотни и тысячи синаптических окончаний. В невозбужденном состоянии плазма нейрона имеет некоторый потенциал относительно окружающей среды. Величина его может колебаться в ту или дру­гую сторону, т. е. возможен процесс адаптации - приспособления к внешним условиям. В теле клетки происходит пространственное и временное суммирование сигналов, поступающих от других нейронов. Дендриты собирают информацию от оканчивающихся на них синапсов и передают суммарный сигнал в сому.

Рис. 10.21. Схематическое При достиже­нии суммарным сигналом некоторого порогового значения визображение нейрона соме вырабатывается импульс, который поступает в аксон, распростра­ня-ется в нем, а затем разветвляется во многочисленные синапсы, направляясь к другим нейронам.

Нервные клетки обладают огромными логическими возможностями, обусловленными большим количеством входов, выходов, обратных связей, изменяющих свою структуру по определенным, пока еще не изученным законам. Ни одна из искусственно создан­ных моделей нейронов не воспроизводит в настоящее время даже в грубом приближении тех логических возможностей, которые имеются в реальной нервной клетке.

Важнейшими информационными свойствами, которыми должны обладать модели нейронов, являются: генерирование импульса при возбуждении; наличие порога возбудимости; пространственное и временное суммирование входных сигналов; большое количество входов и один выход; память. Существующие модели нейронов раз­личной сложности, выполненные на транзисторах, туннельных дио­дах, логических микросхемах - это только первый шаг на пути со­здания искусственного мозга. Однако они являются той основой, на которой строятся модели, все более близкие как по выполняемым функциям, так и по своим конструктивным решениям к реальным нейронам.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Чем вызвана необходимость развития функциональной микроэлектро­ники как новой отрасли технической электроники?

2. Назовите основные направления развития функциональной микроэлектроники.

3. Какие физические явления используются в функциональной микроэлек­тронике?

4. Несмотря на разнообразие физических явлений, используемых в фун­кциональной микроэлектронике, применяемые в этой области приборы и устройства имеют некоторые общие черты и свойства. Укажите их.

5. Дайте определение оптоэлектронике как научно-техническому направ­лению функциональной микроэлектроники.

6. Что собой представляет оптоэлектронный прибор?

7. Дайте характеристику используемым в оптоэлектронике фотоизлучателям и фотоприемникам.

8. Как устроены и работают оптроны? Какие виды оптронов известны?

9. Чем обеспечиваются надежность согласования, помехоустойчивость и широкополосность оптоэлектронных цепей?

10. Какие функции выполняют оптоэлектронные приборы?

11. Как работает линия оптической связи?

12. Расскажите об устройстве и назначении световодов.

13. В чем состоит сущность голографии? Как используются принципы голографии при создании запоминающих устройств ЭВМ?

14. Дайте определение акустоэлектронике как научно-техническому направ­лению функциональной микроэлектроники.

15. Как работает электроакустический усилитель?

16. Укажите основные свойства тонких магнитных пленок. Чем объяснить принципиальную возможность применения технических средств магнетоэлектроники в вычислительной технике?

17. Как устроена матрица памяти на тонких магнитных пленках?

18. Какие температуры считаются криогенными?

19. Что такое сверхпроводник? Какими свойствами он обладает?

20. Как работает криотрон? Укажите возможности применения криотронов в вычислительной технике.

21. Что изучает хемотроника?

22. Расскажите о работе наиболее известных хемотронных приборов.

23. Как устроены и работают приборы диэлектрической электроники? Ка­кими свойствами они обладают?

24. Расскажите о работе функциональных устройств, основанных на эффекте Ганна.

25. Чем занимается биоэлектроника как отрасль науки и техники?

26. Как устроен нейрон?

27. Расскажите о направлениях создания искусственного интеллекта. Чем обусловлена целесообразность научно-технических изысканий в этой области?