Nová kalkulačka podobná mozku s elektrochemickými „synaptickými tranzistory“ simuluje lidské učení

Myšlenka umělce umělé synapse.

Stejně jako Pavlovův pes může být zařízení uspořádáno tak, aby se učilo prostřednictvím asociace.

Vědci vyvinuli mozkové výpočetní zařízení schopné učení prostřednictvím asociace.

Jsou podobné tomu, jak slavný fyziolog Ivan Pavlov zařídil, aby se spojil zvon psů s jídlem Northwestern University արանը Hongkonská univerzita úspěšně uspořádala jejich spojení, aby spojila světlo s tlakem.

Studie bude dnes (30. dubna 2021) zveřejněna v časopise Komunikace přírody,

Tajemství zařízení spočívá v jeho nových organických, elektrochemických „synaptických tranzistorech“, které současně zpracovávají a ukládají informace jako lidský mozek. Vědci prokázali, že tranzistory mohou napodobovat krátkodobou a dlouhodobou plasticitu synapsí v lidském mozku na základě učení se vzpomínek v průběhu času.

Díky své mozkové schopnosti může nové propojení tranzistorů overcome překonat omezení tradičních výpočtů, včetně jejich energeticky úsporných zařízení, և omezenou schopnost provádět více úkolů současně. Zařízení, jako je mozek, má také vyšší odolnost proti chybám a nadále funguje hladce, i když některé součásti nefungují správně.

Umělá synapse

Připojením jednotlivých synaptických tranzistorů k neuromorfnímu obvodu vědci prokázali, že jejich zařízení dokáže simulovat asociativní učení. Půjčka: Northwestern University

Pole synaptických tranzistorů

„Zatímco moderní počítač vyniká, lidský mozek jej může snadno překonat v některých složitých nestrukturálních úkolech, jako je rozpoznávání vzorů, správa motorů a mezinárodní integrace,“ uvedl North Onathan Rivney, hlavní autor studie. „Důvodem je plasticita synapsí, která je hlavní strukturou výpočetní síly mozku. Tyto synapsí umožňují mozku pracovat vysoce paralelně, energeticky úsporně a odolně vůči hříchu. V naší práci ukážeme organický, plastový tranzistor, který napodobuje základní funkce biologické synapse. “

Rivne je docentem biomedicínského inženýrství na Northwest McCormick Engineering School. Studii vedl s Paddy Chanem, docentem strojírenství na hongkonské univerzitě. Prvním autorem studie je postdoktorský výzkumný pracovník skupiny Rudney Xudong Ji.

Problémy s normálním výpočtem

Konvenční digitální výpočetní systémy mají oddělené jednotky pro zpracování a ukládání dat, což má za následek úlohy náročné na data, které spotřebovávají velké množství energie. Inspirováni kombinovaným procesem výpočetního ukládání lidského mozku se v posledních letech pokusili vědci vyvinout počítače, které se více podobají lidskému mozku jako řada zařízení, která fungují jako síť neuronů.

„Práce našich současných počítačových systémů spočívá v tom, že paměť a logika jsou fyzicky odděleny,“ řekla Ji. „Vypočítáváte, posíláte tyto informace do paměťové jednotky. V takovém případě musíte informace získat pokaždé, když o ně požádáte. „Pokud můžeme zkombinovat tyto dvě samostatné funkce, můžeme ušetřit místo a ušetřit energii.“

V současné době je paměťový rezistor nebo „paměť“ nejpokročilejší technologií, která může vykonávat funkci společného zpracování, paměti, ale memorabilia trpí energeticky úsporným vypínáním և menší biokompatibilitou. Tyto nedostatky vedly vědce k synaptickému tranzistoru, zejména organickému elektrochemickému synaptickému tranzistoru, který pracuje s nízkým napětím, plynule nastavitelnou pamětí a vysokou kompatibilitou s biologickými aplikacemi. Stále existují výzvy.

„I vysoce účinné organické elektrochemické synaptické tranzistory vyžadují, aby byla operace zápisu oddělena od operace čtení,“ řekl Rivnay. „Takže pokud chcete ušetřit paměť, musíte ji odpojit od procesu psaní, což může dále komplikovat integraci do řetězců nebo systémů.“

Jak funguje synaptický tranzistor?

Pro splnění těchto výzev optimalizoval tým Severozápad na Hongkonské univerzitě vodivý plastový materiál uvnitř organického, elektrochemického tranzistoru, který může zachycovat ionty. V mozku je synapse struktura, jejímž prostřednictvím může neuron přenášet signály do jiného neuronu pomocí malých molekul nazývaných neurotransmitery. V synaptickém tranzistoru ionty fungují jako neurotransmitery a vysílají signály přes terminály, aby vytvořily umělé synapse. Zachováním uložených dat ze zachycených iontů si tranzistor připomíná předchozí operace a vyvíjí dlouhodobou plasticitu.

Vědci prokázali synaptické chování svého zařízení připojením synaptických tranzistorů v neuromorfním obvodu k modelování asociativního učení. Připojili tlakové և světelné senzory v okruhu և a proškolili připojení pro připojení dvou nesouvisejících fyzických vstupů (tlakové և světlo).

Nejznámějším příkladem asociativního výcviku je Pavlovův pes, který se přirozeně vrhá při setkání s jídlem. Poté, co pes uvázal zvonek na jídlo, začal pes štěkat, když uslyšel zvonit zvonek. U neuromorfního řetězce aktivovali vědci napětí tlakem prstu. Pro připojení řetězu k lehkému tlaku vědci nejprve aplikovali pulzní světlo z LED lampy a poté okamžitě vyvinuli tlak. V tomto scénáři je tlakem jídlo a světlem zvonek. Odpovídající senzory zařízení detekovaly oba vstupy.

Po jednom tréninkovém cyklu vytvořil řetěz předběžné spojení mezi „tlakem“ světla. Po pěti tréninkových cyklech řetěz významně spojuje světlo s tlakem. Samotné světlo dokázalo spustit signál nebo „bezpodmínečnou reakci“.

Plány do budoucna:

Synaptické obvody vyrobené z měkkých polymerů, jako je plast, lze snadno vyrobit na pružných listech, snadno integrovat do měkké, opotřebované elektroniky, inteligentní robotiky a transplantovaných zařízení, která se připojují přímo k živé tkáni, dokonce k mozku.

„I když je naše aplikace důkazem konceptu, náš navrhovaný řetězec může být dále rozšířen o více senzorických vstupů integrovaných s další elektronikou, která umožňuje výpočet nízkoenergetických výpočtů přímo na místě,“ uvedl Rivnay. „Protože je kompatibilní s biologickým prostředím, může zařízení interagovat přímo s živou tkání, což je důležité pro další generaci bioelektroniky.“

Odkaz. „Imitace asociativního tréninku pomocí netěkavých synaptických organických elektrochemických tranzistorů, které zachytávají ionty,“ 30. dubna 2021, Komunikace přírody,
DOI: 10.1038 / s41467-021-22680-5:

Výzkum byl podpořen National Science Foundation (cena č. DMR-1751308), Hong Kong General Research Foundation (Award Numbers HKU 17264016 և HKU 17204517) a National Natural Science Foundation v Číně.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Ne! Je pravděpodobnější, že žádosti o půjčku zpracované kolem poledne budou zamítnuty

Úředníci bankovních půjček pravděpodobněji budou schvalovat žádosti o půjčky dříve a později během dne, zatímco „únava z rozhodování“ kolem poledne je spojena s nedodržováním...

Náročné modely před oddělením v Bothnian Bay

19. dubna 2021 Mořský led na severu Baltského moře vykazuje některé přesvědčivé vzory, než se na jaře roztaví a setře. Na rozdíl od mořského ledu, který...

Výjimečná biologická rozmanitost ve 14,7 milionu let starém tropickém deštném pralese a osvětluje vývoj

Ekologická rekonstrukce bioty Zhangpu. Obrazový kredit: NIGPAS Nově objevený miocénní biom osvětluje vývoj deštného pralesa Mezinárodní výzkumná skupina vedená profesorem WANG Bo a profesorem SHI...

Newsletter

Subscribe to stay updated.