Прорывное открытие, сделанное в Университете Лимерика в Ирландии, впервые показало, что возможны нетрадиционные мозговые вычисления в мельчайших масштабах атомов и молекул.
Исследователи из Института Берналя Университета Лимерика работали с международной командой ученых над созданием нового типа органического материала, который учится на своем прошлом поведении.
Открытие "динамического молекулярного переключателя", который имитирует синаптическое поведение, раскрыто в новом исследовании в международном журнале Природные материалы.
Исследование проводилось Дэмиеном Томпсоном, профессором молекулярного моделирования на физическом факультете UL и директором SSPC, Ирландского исследовательского центра фармацевтики при UL, совместно с Кристианом Найхуисом из Центра молекул и наносистем, вдохновленных мозгом, в Университете Твенте и Энрике дель Барко из Университета из Центральной Флориды.
Работая во время карантина, команда разработала слой молекул толщиной в два нанометра, который в 50 000 раз тоньше пряди волос и запоминает свою историю, когда через него проходят электроны.
Профессор Томпсон объяснил, что "вероятность переключения и значения состояний включения / выключения постоянно изменяются в молекулярном материале, что обеспечивает новую революционную альтернативу обычным цифровым переключателям на основе кремния, которые могут быть либо включены, либо выключены".
Недавно обнаруженный динамический органический переключатель отображает все функции математической логики, необходимые для глубокого обучения, успешно имитируя павловское синаптическое поведение мозга, подобное "вызову и ответу".
Исследователи продемонстрировали свойства новых материалов, используя обширные экспериментальные характеристики и электрические измерения, поддерживаемые многомасштабным моделированием, охватывающим от прогнозного моделирования молекулярных структур на квантовом уровне до аналитического математического моделирования электрических данных.
Чтобы имитировать динамическое поведение синапсов на молекулярном уровне, исследователи объединили быстрый перенос электронов (сродни потенциалам действия и быстрым процессам деполяризации в биологии) с медленной связью протонов, ограниченной диффузией (сродни роли биологических ионов кальция или нейротрансмиттеров).
Поскольку этапы переноса электронов и протонной связи внутри материала происходят в очень разных временных масштабах, преобразование может имитировать пластичное поведение синапсных нейронных соединений, павловское обучение и все логические элементы для цифровых схем, просто изменяя приложенное напряжение и длительность импульсов напряжения во время синтеза, объяснили они.
"Это был отличный изолированный проект, в котором Крис, Энрике и я подталкивали друг друга через встречи zoom и гигантские потоки электронной почты, чтобы объединить навыки наших команд в моделировании материалов, синтезе и характеристике до такой степени, чтобы мы могли продемонстрировать эти новые вычислительные свойства, подобные мозгу", - объяснил профессор Томпсон.
"Сообществу давно известно, что кремниевая технология работает совершенно иначе, чем наш мозг, и поэтому мы использовали новые типы электронных материалов на основе мягких молекул для имитации мозгоподобных вычислительных сетей".
Исследователи объяснили, что в будущем этот метод может быть применен к динамическим молекулярным системам, приводимым в действие другими стимулами, такими как свет, и связанным с различными типами динамического образования ковалентных связей.
Этот прорыв открывает целый ряд адаптивных и реконфигурируемых систем, создавая новые возможности в области устойчивой и "зеленой" химии, от более эффективного поточного химического производства лекарственных препаратов и других химических веществ с добавленной стоимостью до разработки новых органических материалов для вычислений высокой плотности и хранения данных в больших центрах обработки данных.
"Это только начало. Мы уже заняты расширением этого следующего поколения интеллектуальных молекулярных материалов, что позволяет разрабатывать устойчивые альтернативные технологии для решения грандиозных задач в области энергетики, окружающей среды и здравоохранения", - пояснил профессор Томпсон.
Профессор Норели Кеннеди, вице-президент по исследованиям UL, сказала: "Наши исследователи постоянно находят новые способы создания более эффективных и экологичных материалов. Это последнее открытие очень захватывающее, демонстрирующее масштаб и амбиции нашего международного сотрудничества и демонстрирующее нашу ведущую в мире способность UL кодировать полезные свойства в органических материалах".
Комментарии