Частичное воспроизведение функций мозга наноматериалами
Мозг демонстрирует высокую энергоэффективность при адаптации, обучении, распознавании образов и сложной обработке информации.
Ключевые особенности нейронных цепей — «способность синапсов к обучению» и «нервные импульсы (спайки)». Хотя структура мозга постепенно проясняется, её полное воспроизведение слишком сложно. Учёные пытаются реплицировать функции мозга с помощью упрощённых нейроморфных схем и устройств.
Однако в разработке нейроморфных чипов, имитирующих структуру и функции мозга, до сих пор не были полностью задействованы функции генерации и передачи спонтанных спайков, аналогичных нервным импульсам.
Совместная группа исследователей из Кюсюского технологического института и Университета Осаки изучила управление токовой ректификацией в контактах различных молекул и частиц, адсорбированных на однослойных углеродных нанотрубках (ОУНТ), с помощью проводящей атомно-силовой микроскопии (C-AFM). Они обнаружили, что в молекулах полиоксометаллатов (ПОМ), адсорбированных на ОУНТ, возникает отрицательное дифференциальное сопротивление. Это указывает на возникновение нестабильного динамического неравновесного состояния в молекулярных контактах.
Кроме того, исследователи создали крайне плотные случайные сетевые нейроморфные устройства на основе ОУНТ/ПОМ, которые генерируют спонтанные спайки, подобные нервным импульсам нейронов.
ПОМ состоят из атомов металла и кислорода, формирующих трёхмерный каркас. В отличие от обычных органических молекул, ПОМ могут накапливать заряд в одной молекуле. В данном исследовании предполагается, что отрицательное дифференциальное сопротивление и генерация спайков в сети вызваны неравновесной динамикой зарядов в молекулярных контактах внутри сети.
Группа под руководством Мегуми Акай-Касая провела имитационное моделирование случайной молекулярной сети, содержащей молекулы ПОМ, способные накапливать заряд. Модель успешно воспроизвела спайки, генерируемые случайной молекулярной сетью. Также было показано, что эта молекулярная модель с высокой вероятностью может стать компонентом устройств для резервуарных вычислений — перспективной технологии искусственного интеллекта следующего поколения.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
«Значение нашего исследования в том, что часть функций мозга была воспроизведена с помощью наномолекулярных материалов. Мы продемонстрировали возможность того, что сама случайная молекулярная сеть может стать нейроморфным ИИ», — говорит ведущий автор работы Хирофуми Танака.
Ожидается, что достижения этой группы внесут значительный вклад в развитие нейроморфных устройств будущего.