„Синаптичните транзистори“ имитират пластичността на мозъка чрез едновременна обработка и съхраняване на данни
Изследователите са разработили мозъчно изчислително устройство, което е способно да учи чрез асоциация. Изследователи от Северозападния университет и Университета в Хонг Конг успешно обуславят своята верига за свързване на светлината с натиск.
Тайната на устройството се крие в новите му органични, електрохимични „синаптични транзистори“, които едновременно обработват и съхраняват информация точно като човешкия мозък. Изследователите демонстрираха, че транзисторът може да имитира краткосрочната и дългосрочната пластичност на синапсите в човешкия мозък, надграждайки върху спомени, които да научавате с времето. Със своята мозъчноподобна способност, новият транзистор и верига биха могли потенциално да преодолеят ограниченията на традиционните изчисления. Устройството също има по-висока толерантност към грешки, като продължава да работи безпроблемно, дори когато някои компоненти се повредят.
„Въпреки че съвременният компютър е изключителен, човешкият мозък може лесно да го превъзхожда при някои сложни и неструктурирани задачи, като разпознаване на образци, контрол на двигателите и мултисензорна интеграция“, казва Джонатан Ривнай от Northwestern, старши автор на изследването. „Това се дължи на пластичността на синапса, който е основният градивен елемент на изчислителната сила на мозъка. Тези синапси дават възможност на мозъка да работи по изключително паралелен, устойчив на грешки и енергийно ефективен начин. В нашата работа ние демонстрираме органичен, пластмасов транзистор, който имитира ключови функции на биологичен синапс.“
Проблеми с конвенционалните изчисления
Конвенционалните цифрови изчислителни системи имат отделни блокове за обработка и съхранение, което води до интензивни задачи, които консумират големи количества енергия. Вдъхновени от комбинирания процес в човешкия мозък, изследователите през последните години се стремят да разработят компютри, които работят с масиви от устройства, които функционират като мрежа от неврони. „При нашите настоящи компютърни системи, паметта и логиката са физически разделени. Ако успеем да обединим тези две отделни функции, можем да спестим място и разходи за енергия.“ казва Сюдонг Джи – постдокторант в инженерното училище McCormick в Northwestern.
Понастоящем резисторът с памет или „мемристор“ е най-добре развитата технология, която може да изпълнява комбинирана функция за обработка и памет, но мемристорите страдат от скъпо енергийно превключване и по-малка биосъвместимост. Тези недостатъци доведоха изследователите до синаптичния транзистор – особено органичния електрохимичен синаптичен транзистор, който работи с ниско напрежение, непрекъснато регулируема памет и висока съвместимост за биологични приложения. И все пак предизвикателства съществуват.
Как работи синаптичният транзистор
За да се преодолеят тези предизвикателства, екипът на Северозападния и Университета на Хонконг оптимизира проводящ, пластмасов материал в органичния електрохимичен транзистор, който може да задържа йони. В мозъка синапсът е структура, чрез която невронът може да предава сигнали на друг неврон, използвайки малки молекули, наречени невротрансмитери. В синаптичния транзистор йоните се държат подобно на невротрансмитерите, изпращайки сигнали между терминалите, за да образуват изкуствен синапс. Чрез задържане на съхранени данни от уловени йони, транзисторът си спомня предишни дейности, развивайки дългосрочна пластичност.
Изследователите демонстрират синаптичното поведение на устройството си, като свързват единични синаптични транзистори във верига, за да симулират асоциативно обучение. Те интегрираха сензори за налягане и светлина във веригата и обучиха веригата да свързва двата несвързани физически входа (налягане и светлина) един с друг.
Бъдещи приложения
Тъй като синаптичната верига е направена от меки полимери, като пластмаса, тя може лесно да бъде произведена върху гъвкави листове и лесно интегрирана в мека, удобна за носене електроника, интелигентна роботика и имплантируеми устройства, които директно взаимодействат с живата тъкан и дори мозъка.
Източник: Northwestern University
