Læringstransistor efterligner hjernen

En ny transistor baseret på organiske materialer er blevet udviklet af forskere ved Linköpings Universitet. Den har evnen til at lære, og er udstyret med både korttids- og langtidshukommelse. Værket er et stort skridt på vejen til at skabe teknologi, der efterligner den menneskelige hjerne.

Indtil nu, hjerner har været unikke i at kunne skabe forbindelser, hvor der ikke var nogen før. I en videnskabelig artikel i Avanceret Videnskab , forskere fra Linköping Universitet beskriver en transistor, der kan skabe en ny forbindelse mellem et input og et output. De har inkorporeret transistoren i et elektronisk kredsløb, der lærer at forbinde en bestemt stimulus med et udgangssignal, på samme måde som en hund lærer, at lyden af ​​en madskål, der gøres klar, betyder, at aftensmaden er på vej.

En normal transistor fungerer som en ventil, der forstærker eller dæmper udgangssignalet, afhængigt af indgangssignalets karakteristika. I den organiske elektrokemiske transistor, som forskerne har udviklet, kanalen i transistoren består af en elektropolymeriseret ledende polymer. Kanalen kan dannes, vokset eller krympet, eller helt elimineret under drift. Det kan også trænes til at reagere på en bestemt stimulus, et bestemt indgangssignal, sådan at transistorkanalen bliver mere ledende og udgangssignalet større.

"Det er første gang, at realtidsdannelse af nye elektroniske komponenter vises i neuromorfe enheder", siger Simone Fabiano, hovedforsker i organisk nanoelektronik på Laboratory of Organic Electronics, Campus Norrköping.

Kanalen dyrkes ved at øge polymerisationsgraden af ​​materialet i transistorkanalen, hvorved antallet af polymerkæder, der leder signalet, øges. Alternativt materialet kan blive overoxideret (ved at påføre en højspænding), og kanalen bliver inaktiv. Midlertidige ændringer af konduktiviteten kan også opnås ved at doping eller dedopere materialet.

"Vi har vist, at vi kan inducere både kortsigtede og permanente ændringer i, hvordan transistoren behandler information, hvilket er afgørende, hvis man vil efterligne den måde, hjerneceller kommunikerer med hinanden på", siger Jennifer Gerasimov, postdoc i organisk nanoelektronik og en af ​​artiklens forfattere.

Ved at ændre indgangssignalet, styrken af ​​transistorresponsen kan moduleres over et bredt område, og forbindelser kan oprettes, hvor ingen tidligere har eksisteret. Dette giver transistoren en adfærd, der kan sammenlignes med synapsen, eller kommunikationsgrænsefladen mellem to hjerneceller.

Det er også et stort skridt i retning af maskinlæring ved hjælp af organisk elektronik. Software-baserede kunstige neurale netværk bruges i øjeblikket i maskinlæring for at opnå det, der er kendt som "deep learning". Software kræver, at signalerne transmitteres mellem et stort antal noder for at simulere en enkelt synapse, som tager betydelig computerkraft og dermed bruger betydelig energi.

"Vi har udviklet hardware, der gør det samme, ved hjælp af en enkelt elektronisk komponent", siger Jennifer Gerasimov.

"Vores organiske elektrokemiske transistor kan derfor udføre arbejdet i tusindvis af normale transistorer med et energiforbrug, der nærmer sig den energi, der forbruges, når en menneskelig hjerne transmitterer signaler mellem to celler", bekræfter Simone Fabiano.

Transistorkanalen er ikke konstrueret ved hjælp af den mest almindelige polymer, der bruges i organisk elektronik, PEDOT, men i stedet bruger en polymer af en nyudviklet monomer, ETE-S, produceret af Roger Gabrielsson, som også arbejder på Laboratoriet for Økologisk Elektronik og er en af ​​artiklens forfattere. ETE-S har flere unikke egenskaber, der gør den perfekt egnet til denne anvendelse - den danner tilstrækkeligt lange polymerkæder, er vandopløselig, mens polymerformen ikke er, og det producerer polymerer med et mellemniveau af doping. Polymeren PETE-S fremstilles i sin doterede form med en iboende negativ ladning for at balancere de positive ladningsbærere (den er p-doteret).