С 1970-х годов исследователи работали над концепцией мемристора (резистора памяти) - электронного компонента, который, подобно синапсу, может как вычислять, так и хранить данные. Но Александра Раденович из лаборатории наноразмерной биологии (LBEN) инженерной школы EPFL нацелилась на нечто еще более амбициозное: функциональное наножидкостное запоминающее устройство, которое использует ионы, а не электроны и их противоположно заряженные аналоги (дырки). Такой подход более точно имитировал бы собственный - гораздо более энергоэффективный - способ обработки информации мозгом.

"Мемристоры уже использовались для построения электронных нейронных сетей, но наша цель - создать наножидкостную нейронную сеть, которая использует преимущества изменений концентрации ионов, подобно живым организмам", - говорит Раденович.

"Мы изготовили новое наножидкостное устройство для приложений с памятью, которое значительно более масштабируемо и производительно, чем предыдущие попытки", - говорит постдокторский исследователь LBEN Тео Эммерих. "Это позволило нам впервые соединить два таких "искусственных синапса", проложив путь к разработке жидкого оборудования, вдохновленного мозгом".

Исследование недавно было опубликовано в Природная электроника.

Просто добавьте воды

Мемристоры могут переключаться между двумя состояниями проводимости - включенным и выключенным - путем манипулирования приложенным напряжением. В то время как электронные мемристоры полагаются на электроны и дырки для обработки цифровой информации, мемристор LBEN может использовать преимущества целого ряда различных ионов. Для своего исследования исследователи погрузили свое устройство в водный раствор электролита, содержащий ионы калия, но можно было использовать и другие, включая натрий и кальций.

"Мы можем настроить память нашего устройства, изменив используемые нами ионы, что влияет на то, как оно переключается с включения на выключение или сколько памяти оно хранит", - объясняет Эммерих.

Устройство было изготовлено на чипе в Центре микронанотехнологий EPFL путем создания нанопоры в центре мембраны из нитрида кремния. Исследователи добавили слои палладия и графита для создания наноканалов для ионов. Когда ток протекает через чип, ионы просачиваются через каналы и собираются в порах, где их давление создает пузырь между поверхностью чипа и графитом. Когда графитовый слой приподнимается блистером, устройство становится более проводящим, переключая состояние своей памяти в положение "включено". Поскольку графитовый слой остается приподнятым даже при отсутствии тока, устройство "запоминает" свое предыдущее состояние. Отрицательное напряжение снова приводит слои в соприкосновение, возвращая память в состояние "выключено".

"Ионные каналы в мозге претерпевают структурные изменения внутри синапса, так что это также имитирует биологию", - говорит аспирант LBEN Юнфэй Тэн, который работал над изготовлением устройств, получивших название сильно асимметричных каналов (HAC) в связи с формой потока ионов к центральным порам.

Аспирант LBEN Натан Ронсерей добавляет, что наблюдение командой за работой памяти HAC в режиме реального времени также является новым достижением в этой области. "Поскольку мы имели дело с совершенно новым феноменом памяти, мы создали микроскоп, чтобы наблюдать его в действии".

Сотрудничая с Риккардо Кьезой и Эдоардо Лоприоре из Лаборатории наноразмерной электроники и структур, возглавляемой Андрасом Кишем, исследователям удалось соединить два HAC электродом, чтобы сформировать логическую схему, основанную на потоке ионов. Это достижение представляет собой первую демонстрацию цифровых логических операций, основанных на ионных устройствах, подобных синапсу. Но исследователи на этом не останавливаются: их следующая цель - соединить сеть HAC с водяными каналами для создания полностью жидкостных схем. В дополнение к обеспечению встроенного механизма охлаждения, использование воды облегчило бы разработку биосовместимых устройств с потенциальным применением в интерфейсах мозг-компьютер или нейромедицине.