Aivomainen transistoripiiri

Ryhmällä synaptisia transistoreita uusi neuromorfinen piiri simuloi assosiatiivista oppimista. Credit: Northwestern University

(4.5.2021) Samoin kuin kuuluisa fysiologi Ivan Pavlov sai koirat yhdistämään kellon kilinän ruokaan, myös Northwesternin ja Hongkongin yliopistojen tutkijat saivat teknisen piirinsä assosioimaan valon paineeseen.

Laitteen salaisuus on sen uudenlaisissa orgaanisissa, sähkökemiallisissa ”synaptisissa transistoreissa”, jotka käsittelevät ja tallentavat informaatiota samanaikaisesti aivan kuten ihmisen aivot. Tutkijat osoittivat, että transistori voi jäljitellä ihmisen aivojen synapsien lyhytaikaista ja pitkäkestoista plastisuutta rakentamalla muistoja, joita opitaan ajan myötä.

Aivomaisen kykynsä ansiosta uusi transistori ja piiri voisivat mahdollisesti ylittää perinteisen laskennan rajoitukset, mukaan lukien energiaa kuluttavat memristorit ja rajoitetun kyvyn suorittaa useita tehtäviä samanaikaisesti. Aivojen kaltaisella laitteella on myös suurempi vikasietoisuus, joka toimii edelleen sujuvasti myös silloin, kun jotkut komponentit epäonnistuvat.

Tutkijoiden synaptisessa transistorissa ionit käyttäytyvät samalla tavalla kuin välittäjäaineet siirtämällä signaaleja päätelaitteiden välille keinotekoisen synapsin muodostamiseksi. Säilyttämällä tallentuneen informaation loukkuun jääneistä ioneista, transistori muistaa aikaisemmat toiminnot ja kehittää pitkäaikaista plastisuutta.

Tutkijat osoittivat laitteensa synaptisen käyttäytymisen yhdistämällä yksittäiset synaptiset transistorit neuromorfiseen piiriin assosiatiivisen oppimisen simuloimiseksi. He integroivat piiriin paine- ja valoanturit ja kouluttivat piirin yhdistämään kaksi toisistaan riippumatonta fyysistä tuloa (paine ja valo) toisiinsa.

Ehkä tunnetuin esimerkki assosiatiivisesta oppimisesta on Pavlovin koira, joka oppi kuolaamaan kuullessaan kellon kilinän. Näiden tutkijoiden skenaariossa paine on ruokaa ja valo on kello.

Yhden harjoitusjakson jälkeen piiri muodosti ensimmäisen yhteyden valon ja paineen välille. Viiden harjoitusjakson jälkeen piiri liitti valon merkittävästi paineeseen. Pelkästään valo pystyi laukaisemaan signaalin tai "ehdollisen vasteeseen".

Aiemmin muun muassa Aalto-yliopiston ja Tampereen yliopiston materiaalitutkijat ovat saaneet aikaan Pavlovin koiran tavoin käyttäytyvän materiaalin. Heidän tutkimuksessaan erityinen geeli saatiin sulamaan juoksevaksi värivalojen avulla, ilman suoraa lämmitystä.

Koska Northwestern-Hongkong tutkijoiden synaptinen piiri on valmistettu pehmeistä polymeereistä, se voidaan integroida helposti pehmeään, puettavaan elektroniikkaan, älykkääseen robotiikkaan ja implantoitaviin laitteisiin, jotka ovat suoraan vuorovaikutuksessa elävän kudoksen tai jopa aivojen kanssa.

"Vaikka sovelluksemme on vasta todiste konseptista, ehdotettua piiriä voidaan edelleen laajentaa koskemaan enemmän aistituloja ja integroida muu elektroniikka mahdollistamaan pienitehoinen laskenta paikan päällä", toteaa tutkija Jonathan Rivnay. "Koska laite on yhteensopiva biologisten ympäristöjen kanssa, laite voi olla suoraan vuorovaikutuksessa elävän kudoksen kanssa, mikä on kriittistä seuraavan sukupolven bioelektroniikan kannalta."

Aiheesta aiemmin:

Tarkempia ja tehokkaampia memristoreita

Ioninen musta laatikko

Synapsinen transistori muistaa