В новом исследовании техасские ученые-инжинеры A&M из Департамента материаловедения и инженерии описывают новый материал, который приближается к имитации того, как клетки мозга выполняют вычисления.

В каждый момент бодрствования наш мозг обрабатывает огромное количество данных, чтобы разобраться в окружающем мире. Имитируя то, как человеческий мозг решает повседневные проблемы, нейроморфные системы обладают огромным потенциалом, чтобы произвести революцию в анализе больших данных и проблемах распознавания образов, которые являются проблемой современных цифровых технологий. Но для того, чтобы искусственные системы были более похожи на мозг, они должны воспроизводить то, как нервные клетки взаимодействуют через свои терминалы, называемые синапсами.

В исследовании, опубликованном в Журнале Американского химического общества, ученые-инжинеры из Техасского университета A&M описали новый материал, который фиксирует образец электрической активности в синапсе. Подобно тому, как нервная клетка производит импульс осциллирующего тока в зависимости от истории электрической активности в ее синапсе, исследователи заявили, что их материал колеблется от металла к изолятору при температуре перехода, определяемой тепловой историей устройства.

Материалы обычно делятся на металлы или изоляторы в зависимости от того, проводят ли они тепло и электричество. Но некоторые материалы, например диоксид ванадия, ведут двойную жизнь. При определенных температурах диоксид ванадия действует как изолятор, препятствуя прохождению тепла и электрического тока. Но при нагревании до 67 градусов по Цельсию диоксид ванадия претерпевает хамелеоноподобное изменение своих внутренних свойств, превращаясь в металл.

Эти возвратно-поступательные колебания из-за температуры делают диоксид ванадия идеальным кандидатом для электронных систем, управляемых мозгом, поскольку нейроны также производят колебательный ток, называемый потенциалом действия. Но нейроны также объединяют свои входные данные в свои синапсы. Эта интеграция постоянно увеличивает напряжение мембраны нейрона, приближая его к пороговому значению. Когда этот порог пересекается, нейроны запускают потенциал действия.

«Нейрон может помнить, при каком напряжении находится его мембрана, и в зависимости от того, где напряжение на его мембране по отношению к пороговому значению, нейрон либо срабатывает, либо остается бездействующим», — сказал Сарбаджит Банерджи, профессор кафедры материаловедения и инженерии, так же кафедры химии и одним из главных авторов исследования. «Мы хотели настроить свойство диоксида ванадия, чтобы он сохранял некоторую память о том, насколько он близок к температуре перехода, чтобы мы могли начать имитировать то, что происходит в синапсах биологических нейронов».

Температуры перехода для данного материала обычно фиксированы, если не добавляется примесь, называемая легирующей добавкой. Хотя легирующая добавка может изменять температуру перехода в зависимости от ее типа и концентрации в диоксиде ванадия, цель Банерджи и его команды состояла в том, чтобы внедрить средства регулировки температуры перехода вверх или вниз таким образом, чтобы отразить не только концентрацию легирующей примеси, но и время прошло с момента его сброса. Они обнаружили, что такая гибкость возможна только при использовании бора.

Когда исследователи добавили бор к диоксиду ванадия, материал все равно превратился из изолятора в металл, но температура перехода теперь зависела от того, как долго он оставался в новом метастабильном состоянии, созданном бором.

«Биологические нейроны запоминают напряжение своих мембран; аналогично диоксид ванадия с добавками бора имеет память о своей термической истории или, формально говоря, о том, как долго он находился в метастабильном состоянии», — сказала Дайан Селлерс, один из основных авторов исследования и бывший научный сотрудник лаборатории Банерджи. «Эта память определяет температуру перехода, при которой устройство совершает колебания от металла к изолятору».

«Хотя их система является первым шагом в имитации биологического синапса, в настоящее время проводятся эксперименты по привнесению большего динамизма в поведение материала путем управления кинетикой процесса релаксации диоксида ванадия», — сказал Патрик Шамбергер, профессор кафедры материаловедения и соответствующий специалист и соавтор исследования.

В ближайшем будущем Сяофэн Цян, профессор кафедры материаловедения и сотрудник Банерджи по этому проекту, планирует расширить текущие исследования, изучив атомную и электронную структуру других, более сложных соединений оксида ванадия. Кроме того, совместная группа также изучит возможность создания других нейроморфных материалов с альтернативными легирующими добавками.

«Мы хотели бы выяснить, применимо ли явление, которое мы наблюдали с диоксидом ванадия, к другим решеткам-хозяевам и другим атомам-гостям», — сказал Раймундо Арройаве, профессор кафедры материаловедения и автор-корреспондент исследования. «Это понимание может предоставить нам несколько инструментов для дальнейшей настройки свойств этих типов нейроморфных материалов для различных приложений».