En bio-inspireret mekanisk-fotonisk kunstig synapse

Multifunktionelle og forskellige kunstige neurale systemer kan inkorporere multimodal plasticitet, hukommelse og overvågede indlæringsfunktioner for at hjælpe neuromorfisk beregning. I en ny rapport, Jinran Yu og et forskerhold i nanoenergi, nanovidenskab og materialevidenskab i Kina og USA. præsenteret en bioinspireret mekano-fotonisk kunstig synapse med synergistisk mekanisk og optisk plasticitet. Holdet brugte en optoelektronisk transistor lavet af grafen/molybdændisulfid (MoS ₂ ) heterostruktur og en integreret triboelektrisk nanogenerator til at komponere den kunstige synapse. De kontrollerede ladningsoverførslen/udvekslingen i heterostrukturen med triboelektrisk potentiale og modulerede den optoelektroniske synapseadfærd let, inklusive postsynaptiske fotostrømme, lysfølsomhed og fotokonduktivitet. Den mekano-fotoniske kunstige synapse er en lovende implementering til at efterligne det komplekse biologiske nervesystem og fremme udviklingen af ​​interaktiv kunstig intelligens. Værket er nu udgivet på Videnskab fremskridt .

Hjerne-inspirerede neurale netværk.

Den menneskelige hjerne kan integrere kognition, indlærings- og hukommelsesopgaver via auditiv, visuel, olfaktoriske og somatosensoriske interaktioner. Denne proces er svær at efterligne ved hjælp af konventionelle von Neumann-arkitekturer, der kræver yderligere sofistikerede funktioner. Hjerneinspirerede neurale netværk er lavet af forskellige synaptiske enheder til at overføre information og behandle ved hjælp af den synaptiske vægt. Nye fotoniske synapser kombinerer den optiske og elektriske neuromorfe modulering og beregning for at tilbyde en gunstig mulighed med høj båndbredde, hurtig hastighed og lav krydstale for at reducere strømforbruget markant. Biomekaniske bevægelser inklusive berøring, øjenblink og armbevægelse er andre allestedsnærværende triggere eller interaktive signaler til at betjene elektronik under kunstig synapse-plastificering. I dette arbejde, Yu et al. præsenteret en mekanisk-fotonisk kunstig synapse med synergistisk mekanisk og optisk plasticitet. Enheden indeholdt en optoelektronisk transistor og en integreret triboelektrisk nanogenerator (TENG) i kontaktadskillelsestilstand. De mekano-optiske kunstige synapser har et enormt funktionelt potentiale som interaktive optoelektroniske grænseflader, syntetiske nethinder og intelligente robotter.

Den menneskelige hjerne og dens tilknyttede biomekaniske og visuelle fornemmelser er afgørende for at erhverve somatosensorisk og visuel information. Hjernen indeholder en række neuroner, der modtager interaktive signaler gennem forskellige tilstande for at implementere neuromorfisk beregning i det multisensoriske associationsområde. Synapser fra vigtige forbindelsespunkter mellem to tilstødende neuroner under neurale informationstransmissioner. Yu et al. blev bioinspireret af hjernen og nervesystemet til at udvikle en mekanisk-fotonisk kunstig synapse med synergistisk mekanisk og optisk plasticitet. Den mekano-fotoniske kunstige synapse inkluderede en optoelektronisk transistor og integreret TENG (triboelektrisk nanogenerator). Under forsøgene, holdet brugte kemisk dampaflejring til at afsætte monolagsgrafen på den optoelektroniske transistor, som de derefter stablede på et flerlags molybdænsulfid (MoS ₂ ) flage på et siliciumdioxidsubstrat. Ved at bruge den eksperimentelle opsætning, Yu et al. kunne realisere den synergistiske optiske og mekaniske modulering på den synaptiske plasticitet.

Test af enheden og mekanisk-optisk karakterisering.

For at teste det praktiske ved triboelektriske potentiale gating, holdet karakteriserede TENG-udgangsspændingen versus mekanisk forskydning ved hjælp af et testkredsløb, hvor de tilsluttede transistorens dielektriske kondensator og testsystemkondensatoren med TENG parallelt. Ved at optimere MoS ₂ tykkelse i heterostrukturen, Yu et al. forbedret enhedens lysfølsomhed og elektriske ydeevne for potentielt at påvirke enheden til applikationer på systemniveau. For at karakterisere den mekano-optoelektroniske transistor, de målte outputydelsen under synergistiske effekter for TENG-forskydning og belysning med grøn LED ved forskellige effektintensiteter. For derefter at forstå den indstillelige fotoresponsivitet af enhedens mekano-fotoniske transistor, de undersøgte indflydelsen af ​​mekanisk forskydning på fotostrømmen og lysfølsomheden. En mere positiv forskydning kan inducere større fotostrøm og højere fotoreceptivitet i forhold til de elektriske feltafhængige Fermi-niveau og elektroniske tilstande i heterostrukturen. Den mekaniske forskydningsrelaterede fotorespons forbedrede enhedens lysfølsomhed, mens funktionen reguleres på et ønsket niveau efter behov.

Kanalledningsevne og langsigtet synaptisk plasticitet.

Holdet regulerede derefter transistorens kanalledningsevne ved hjælp af mekanisk forskydning og lysbelysning; grundlæggende for multimodal plasticitet i mekano-fotoniske kunstige synapser. De holdt den basale postsynaptiske strøm (PSC) stabil på forskellige niveauer under forskellige forskydningstilstande som en forudsætning for at opnå synaptiske fotoresponser. Arbejdet viste virkningerne af den triboelektriske potentialmodulerede elektriske adfærd og optoelektriske adfærd på den postsynaptiske strøm. De beholdt den mekano-fotoniske kunstige synapse i mere end en time uden ændringer for at give bevis for at implementere det synergistiske optiske og mekaniske modul til langsigtet synaptisk plasticitet. Holdet krediterede den reducerede postsynaptiske strøm (PSC) til den svækkede tæthed af huller i grafen, der blev brugt i opsætningen, på den anden side krediterede de de vedvarende PSC'er til lokaliserede stater i MoS ₂ og det retningsbestemte triboelektriske felt. For eksempel, under lysbelysning, fotogenererede elektroner kunne induceres i MoS _2. Sammenlignet med tidligere arbejde med bioinspirerede synaptiske enheder, den nuværende mekano-fotoniske kunstige synapse realiserede samtidig dual-mode plastificering via mekaniske og visuelle signaler.

Yu et al. undersøgte yderligere de synergistiske virkninger af den kunstige synapse under lysimpulsinput, der legemliggør forskellig rumlig-tidsmæssig information. De simulerede derefter et flerlags perception-baseret kunstigt neuralt netværk (ANN) ved hjælp af typiske synaptiske karakteristika til overvåget læringsfunktion ved hjælp af det modificerede National Institute of Standards and Technology (MNIST) håndskriftsbilleddatasæt. I ANN, Yu et al. inkluderet 28 x 28 inputneuroner, 100 skjulte neuroner, og 10 udgangsneuroner fuldt forbundet via synaptiske vægte. De i alt 784 inputneuroner svarede til et 28 x 28 MNIST-billede, og de 10 outputneuroner svarede til 10 arabiske tal fra nul til ni. Holdet byggede ANN bioinspireret af den menneskelige nethinde, som modsætningsvis indeholder milliarder af nerveceller til at danne et komplekst tre-lags netværk. De viste derefter, hvordan man forbedrer periodiciteten, stabilitet og repeterbarhed af enheden forbedrede simuleringen af ​​ANN til billedgenkendelse.

Outlook

På denne måde, Jinran Yu og kolleger udviklede en mekanisk-fotonisk kunstig synapse med synergistisk multimodal synaptisk plasticitet. Holdet brugte triboelektrisk potentiale til at drive den synaptiske transistor og regulere ladningsoverførselsudvekslingen i heterostrukturen for at lette postsynaptiske fotostrømme, vedvarende fotokonduktivitet og lysfølsomhed. Opsætningen tillod også langtidshukommelse og konsekutiv neural facilitering. Holdet simulerede derefter et kunstigt neuralt netværk (ANN) for at vise gennemførligheden af ​​mekanisk plastificering for at fremme billedgenkendelsens nøjagtighed. Arbejdet vil bane vejen for at udvikle multifunktionelle og interaktive neuromorfe enheder.

© 2021 Science X Network