Organismisk læring efterligner nogle aspekter af menneskelig tankegang

En ny computingteknologi kaldet "organismoids" efterligner nogle aspekter af menneskelig tankegang ved at lære at glemme uvæsentlige minder, samtidig med at de bevarer mere vitale.

"Den menneskelige hjerne er i stand til kontinuerlig livslang læring, "sagde Kaushik Roy, Purdue Universitets Edward G. Tiedemann Jr. Fremtrædende professor i el- og computerteknik. "Og det gør det delvist ved at glemme nogle oplysninger, der ikke er kritiske. Jeg lærer langsomt, men jeg bliver ved med at glemme andre ting undervejs, så der er en yndefuld forringelse i min nøjagtighed ved at opdage ting, der er gamle. Det, vi forsøger at gøre, er at efterligne hjernens adfærd i et vist omfang, at oprette computere, der ikke kun lærer nye oplysninger, men som også lærer, hvad de skal glemme. "

Arbejdet blev udført af forskere på Purdue, Rutgers University, Massachusetts Institute of Technology, Brookhaven National Laboratory og Argonne National Laboratory.

Centralt i forskningen er et keramisk "kvantemateriale" kaldet samariumnikkelat, som blev brugt til at skabe enheder kaldet organismoider, sagde Shriram Ramanathan, en Purdue professor i materialeteknik.

"Disse enheder besidder visse egenskaber ved levende væsener og sætter os i stand til at fremme nye læringsalgoritmer, der efterligner nogle aspekter af den menneskelige hjerne, "Sagde Roy." Resultaterne har vidtrækkende konsekvenser for både kvantematerialer og hjerneinspireret computing. "

Fundene er detaljeret i et papir, der blev vist mandag (14. august) i journalen Naturkommunikation .

Når den udsættes for hydrogengas, materialet gennemgår en massiv modstandsændring, da dets krystalgitter er "dopet" af hydrogenatomer. Materialet siges at ånde, ekspandere, når hydrogen tilsættes og sammentrække, når hydrogenet fjernes.

"Det vigtigste ved materialet er, at når dette indånder brint, er der en spektakulær kvantemekanisk effekt, der tillader modstanden at ændre sig ved størrelsesordener, "Sagde Ramanathan." Dette er meget usædvanligt, og effekten er reversibel, fordi dette dopemiddel kan svagt fastgøres til gitteret, så hvis du fjerner brint fra miljøet, kan du ændre den elektriske modstand. "

Forskningspapirets medforfattere omfatter Purdue postdoktoral forskningsassistent Fan Zuo og kandidatstuderende Priyadarshini Panda. En komplet liste over medforfattere er tilgængelig i sammendraget.

Når brint udsættes for materialet, det deler sig i en proton og en elektron, og elektronen fastgøres til nikkelen, midlertidigt får materialet til at blive en isolator.

"Derefter, når brintet kommer ud, dette materiale bliver ledende igen, "Ramanathan sagde." Det vi viser i dette papir er omfanget af ledning og isolering kan meget omhyggeligt afstemmes. "

Denne ændrede konduktans og "henfaldet af den konduktans over tid" ligner en vigtig dyreadfærd kaldet tilvænning.

"Mange dyr, selv organismer, der ikke har en hjerne, besidder denne grundlæggende overlevelsesevne, "Sagde Roy." Og derfor kalder vi dette organismisk adfærd. Hvis jeg ser visse oplysninger regelmæssigt, Jeg vænner mig, bevarer hukommelsen om det. Men hvis jeg ikke har set sådanne oplysninger i lang tid, så begynder det langsomt at forfalde. Så, konduktansens adfærd, der går op og ned på eksponentiel måde, kan bruges til at oprette en ny computermodel, der gradvist vil lære og samtidig glemme tingene på en ordentlig måde. "

Forskerne har udviklet en "neural læringsmodel", de har betegnet adaptiv synaptisk plasticitet.

"Dette kan være virkelig vigtigt, fordi det er et af de første eksempler på at bruge kvantematerialer direkte til at løse et stort problem i neural læring, "Sagde Ramanathan.

Forskerne brugte organismoiderne til at implementere den nye model for synaptisk plasticitet.

"Ved hjælp af denne effekt er vi i stand til at modellere noget, der er et reelt problem i neuromorfe computere, "Sagde Roy." F.eks. hvis jeg har lært dine ansigtstræk, kan jeg stadig gå ud og lære en andens funktioner uden virkelig at glemme dine. Imidlertid, dette er svært for computermodeller at gøre. Når du lærer dine funktioner, de kan glemme egenskaberne ved den originale person, et problem kaldet katastrofal glemme. "

Neuromorf computing er ikke beregnet til at erstatte konventionel computerhardware til generelle formål, baseret på komplementære metaloxid-halvleder-transistorer, eller CMOS. I stedet, det forventes at fungere sammen med CMOS-baseret computing. Mens CMOS -teknologien især er dygtig til at udføre komplekse matematiske beregninger, neuromorf computing kan muligvis udføre roller såsom ansigtsgenkendelse, ræsonnement og menneskelignende beslutningstagning.

Roys team udførte forskningsarbejdet på plasticitetsmodellen, og andre samarbejdspartnere koncentrerede sig om fysikken i, hvordan man forklarer processen med dopingdrevet ændring i konduktans, der er central for papiret. Det tværfaglige team omfatter eksperter i materialer, Elektroteknik, fysik, og algoritmer.

"Det er ikke ofte, at en materialevidenskabelig person kan tale med en kredsløbsperson som professor Roy og komme med noget meningsfuldt, "Sagde Ramanathan.

Organismoider kan have applikationer inden for det nye felt af spintronics. Konventionelle computere bruger tilstedeværelse og fravær af en elektrisk ladning til at repræsentere dem og nuller i en binær kode, der er nødvendig for at udføre beregninger. Spintronics, imidlertid, bruger elektronernes "spin -tilstand" til at repræsentere dem og nuller.

Det kan bringe kredsløb, der ligner biologiske neuroner og synapser i et kompakt design, der ikke er muligt med CMOS -kredsløb. Mens det ville tage mange CMOS -enheder at efterligne en neuron eller synaps, det tager måske kun en enkelt spintronic -enhed.

I det fremtidige arbejde, forskerne kan demonstrere, hvordan man opnår tilvænning i et integreret kredsløb i stedet for at udsætte materialet for hydrogengas.