ساخت شبکه عصبی مصنوعی از DNA

نویسنده مهمان – نیما وزیری: هوش چیست؟ چگونه می‌توان فرایند یادگیری را درک و بطور مصنوعی پیاده سازی کرد؟ اینها نمونه سئوالاتی است که سالها است ذهن محققان بسیاری را مشغول کرده است. با ساخت اولین کامپیوتر‌ها و پس از آن ربات‌ها به تدریج این نظر گسترش پیدا کرد که تا آفرینش اولین انسان مصنوعی با هوش، راه زیادی نمانده است. احتمالا شما هم سیل داستان‌های علمی‌- تخیلی‌ دهه هشتاد را با موضوع ربات‌های هوشمند و جهان آینده به خاطر دارید. اما به تدریج مشخص شد کار چندان هم ساده نیست و هوش مصنوعی (AI) راه زیادی دارد تا بصورت عملی‌ پیاده سازی شود. یکی‌ از مهمترین سئوالات این بود که چگونه می‌توان یک ماشین را طوری ساخت که بتواند بطور خودکار یاد بگیرد. روشها و ابزار مختلفی‌ تاکنون در این زمینه مورد بررسی قرار گرفته‌اند. یکی‌ از مهمترین آنها شبکه‌های عصبی مصنوعی (ANN) هستند.

اساس شبکه‌های عصبی مصنوعی مانند شبکه‌های عصبی در جانوران و انسانها است. همان گونه که می‌دانید در مغز، نورون‌ها وظیفه پردازش و انتقال اطلاعات را در قالب سیگنال‌های الکتریکی دارند. در مغز انسان حدود یکصد میلیارد نورون به هم متصل بوده و اطلاعات ورودی را پردازش می‌کنند. شبکه‌های عصبی مصنوعی نمونه ساده شده‌ای از مغز هستند و معمولا تعداد محدودی نورون مصنوعی (بسته به کاربرد شبکه از دهها تا صدها) که هر کدام محاسبه ساده‌ای را انجام می‌دهند به هم وصل هستند. ساختار این شبکه‌ها به گونه‌ای است که قابلیت یاد گیری دارند. هر نورون (یا سلول) شبکه چند ورودی دارد. به علاوه به همان تعداد دارای تابع به اصطلاح «وزنی» (weight function) هم می‌باشد. بعد از ساخت شبکه (معمولا در قالب یک برنامه کامپیوتری)، فرایند یادگیری انجام می‌شود. بدین معنی‌ که به شبکه، ورودی‌ها و پاسخ صحیح خروجی‌ داده می‌شود. مثلا فرض کنید یک شبکه عصبی قرار است جدول ضرب را فرا بگیرد. در مرحله یادگیری تعدادی از ورودی‌ها و خروجی‌های صحیح به شبکه داده می‌شود؛ مثلا ورودی ۲ و ۵ و خروجی‌ ۱۰. تابع ‌های وزنی خودشان را طوری تغییر میدهند (معمولا با آزمون و خطا) که پاسخ ورودی‌ها برابر خروجی‌ شود. سپس اگر دو ورودی جدید به شبکه بدهیم، پاسخ خروجی‌ تخمین زده میشود. مثلا اگر در مرحله یادگیری تمام حاصل ضرب‌های ۲ از ۱ تا ۷ را بدهیم، شبکه میتواند پاسخ حاصل ضرب ۲ در ۸ را حدس بزند. البته معمولا پاسخها کاملا صحیح نیستند ولی ‌ANN یکی‌ از مهمترین زمینه‌های هوش مصنوعی است. تا به امروز شبکه‌های عصبی یا در قالب نرم افزار بوده‌اند و یا مدارت دیجیتالی ساده.

حال برای اولین بار محققان موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) توانسته‌اند شبکه عصبی را با استفاده از DNA بسازند. در این شبکه از ۱۱۲ رشته DNA به عنوان ساختار اصلی‌ شبکه استفاده شده است. برای اتصال رشته ها از روشی با نام Strand-displacement Cascade استفاده شده است. در انتهای منبع می‌توانید فیلم کوتاهی را در این زمینه ببینید. برای امتحان هوش شبکه، از آزمونی مثل بیست سئوالی‌ استفاده شد. ابتدا چهار دانشمند در نظر گرفته شدند. سپس چهار سوال نیز تعریف شد. مانند این که آیا دانشمند مورد نظر ریاضی‌‌دان است؟ یا اهل انگلستان می‌باشد؟ سه‌ پاسخ به این سوالات بله، خیر و نمی‌دانم بودند. پس از مرحله یادگیری، یکی‌ از دانشمندان برای شناسایی در نظر گرفته شد. سؤالات یک به یک پرسیده شده و پاسخ‌ها به شبکه منتقل شدند. شبکه ساخته شده به خوبی‌ توانست پاسخ را حدس بزند.

در این مدل البته زمان پردازش داده‌ها بسیار بیشتر از مغز انسان است. ضمن اینکه مانند سایر شبکه‌های قبلی‌ و بر خلاف مغز انسان تنها از آن می‌توان برای مورد مشخصی‌ (مثل شناسایی چند نفر بر اساس داده‌های قبلی) از آن استفاده کرد. ولی به هر صورت این مورد گام مهمی‌ در شناخت هوش و یادگیری به شمار می‌آید. احتمالا اولین نمونه‌های هوشمند در چهار میلیون سال پیش هوشی در حد این مدل (و شاید هم کمی‌ بیشتر از آن) داشته‌اند. پس تا آفرینش انسانی‌ هوشمند بر اساس فرآیند‌های شیمیایی راه زیادی داریم.

مقاله تحقیق مورد نظر را میتوانید در نشریه Nature بیابید.
منبع