Kamæleonlignende materiale tilsat bor kommer tættere på at efterligne hjerneceller

Hvert vågent øjeblik, vores hjerne behandler en enorm mængde data for at give mening om omverdenen. Dermed, ved at efterligne den måde, den menneskelige hjerne løser hverdagens problemer, neuromorfe systemer har et enormt potentiale til at revolutionere big data-analyse og mønstergenkendelsesproblemer, som er en kamp for nuværende digitale teknologier. Men for at kunstige systemer skal være mere hjernelignende, de skal replikere hvordan nerveceller kommunikerer ved deres terminaler, kaldet synapserne.

I en undersøgelse offentliggjort i september-udgaven af Journal of the American Chemical Society , forskere ved Texas A&M University beskrev et nyt materiale, der fanger mønsteret af elektrisk aktivitet ved synapsen. Meget ligesom hvordan en nervecelle producerer en puls af oscillerende strøm afhængigt af historien om elektrisk aktivitet ved dens synapse, forskerne sagde, at deres materiale svinger fra metal til isolator ved en overgangstemperatur bestemt af enhedens termiske historie.

Materialer klassificeres generelt i metaller eller isolatorer afhængigt af, om de leder varme og elektricitet. Men nogle materialer, som vanadiumdioxid, leve et dobbeltliv. Ved visse temperaturer, vanadiumdioxid virker som en isolator, modstå strømmen af ​​varme og elektriske strømme. Men når den opvarmes til 67 grader Celsius, vanadiumdioxid gennemgår en kamæleonlignende ændring i dets indre egenskaber, omdannes til et metal.

Disse frem og tilbage svingninger på grund af temperatur gør vanadiumdioxid til en ideel kandidat til hjerne-inspirerede elektroniske systemer, da neuroner også producerer en oscillerende strøm, kaldet et handlingspotentiale.

Men neuroner samler også deres input ved deres synapse. Denne integration øger spændingen af ​​neurons membran støt, bringer det tættere på en tærskelværdi. Når denne tærskel overskrides, neuroner affyrer et aktionspotentiale.

"En neuron kan huske, hvilken spænding dens membran sidder på, og afhængigt af hvor dens membranspænding er i forhold til tærsklen, neuronen vil enten affyres eller forblive i dvale, " sagde Dr. Sarbajit Banerjee, professor ved Institut for Materialevidenskab og Teknik og Institut for Kemi, og en af ​​de ledende forfattere af undersøgelsen. "Vi ønskede at finjustere egenskaben ved vanadiumdioxid, så det bevarer noget hukommelse om, hvor tæt det er på overgangstemperaturen, så vi kan begynde at efterligne, hvad der sker ved synapsen af ​​biologiske neuroner."

Overgangstemperaturerne for et givet materiale er generelt faste, medmindre en urenhed, kaldet et dopingmiddel, er tilføjet. Selvom et dopingmiddel kan flytte overgangstemperaturen afhængigt af dets type og koncentration i vanadiumdioxid, Banerjee og hans teams mål var at give et middel til at justere overgangstemperaturen op eller ned på en måde, der ikke blot afspejler koncentrationen af ​​dopingmidlet, men også den tid, der er gået, siden den var blevet nulstillet. Denne fleksibilitet, de fandt, var kun muligt, når de brugte bor.

Da forskerne tilføjede bor til vanadiumdioxid, materialet stadig gik fra en isolator til et metal, men overgangstemperaturen afhang nu af, hvor længe den forblev i en ny metastabil tilstand skabt af bor.

"Biologiske neuroner har hukommelse af deres membranspænding; på samme måde, bor-pigget vanadiumdioxid har en hukommelse om sin termiske historie, eller formelt set, hvor længe det har været i en metastabil tilstand, " sagde Dr. Diane Sellers, en af ​​de primære forfattere til undersøgelsen og en tidligere forsker i Banerjees laboratorium. "Denne hukommelse bestemmer overgangstemperaturen, ved hvilken enheden drives til at oscillere fra metal til en isolator."

Mens deres system er et indledende skridt i at efterligne en biologisk synapse, eksperimenter er i gang for at introducere mere dynamik i materialets adfærd ved at kontrollere kinetikken i afslapningsprocessen for vanadiumdioxid, sagde Dr. Patrick Shamberger, professor i materialevidenskab og en tilsvarende forfatter på studiet.

I den nærmeste fremtid, Dr. Xiaofeng Qiang, professor i materialevidenskabsafdelingen og Banerjees samarbejdspartner på dette projekt, planlægger at udvide den nuværende forskning ved at udforske de atomare og elektroniske strukturer af andre mere komplekse vanadiumoxidforbindelser. Ud over, Samarbejdsholdet vil også undersøge muligheden for at skabe andre neuromorfe materialer med alternative dopingstoffer.

"Vi vil gerne undersøge, om det fænomen, vi har observeret med vanadiumdioxid, gælder for andre værtsgitre og andre gæsteatomer, " sagde Dr. Raymundo Arróyave, professor i materialevidenskab og en tilsvarende forfatter på studiet. "Denne indsigt kan give os flere værktøjer til yderligere at justere egenskaberne af disse typer neuromorfe materialer til forskellige anvendelser."

Erick J. Braham fra Institut for Kemi er en co-primær forfatter på denne undersøgelse. Andre bidragydere til denne forskning omfatter Baiyu Zhang, Drs. Timothy D. Brown og Heidi Clarke fra afdelingen for materialevidenskab; Ruben Villarreal fra J. Mike Walker '66 Department of Mechanical Engineering; Abhishek Parija, Theodore E. G. Alivio og Dr. Luis R. De Jesus fra Institut for Kemi; Dr. Lucia Zuin fra University of Saskatchewan, Canada; og Dr. David Prendergast fra Lawrence Berkeley National Laboratory, Californien.