Resep otak buatan: nanotube, polyoxometallate, dan sedikit elektron

Dunia dekat, otak manusia sangat luas
(Friedrich Schiller).

Pemikiran yang sangat singkat, tetapi sangat akurat. Otak manusia hingga hari ini tetap menjadi misteri bagi para ilmuwan. Ya, kami telah lama mengetahui apa dan bagaimana cara kerjanya, bagian mana yang bertanggung jawab atas tindakan apa. Namun, ini hanya dasar-dasar neurobiologi. Mengatakan bahwa otak dipahami oleh kita sebagai dua kali dua adalah sangat keliru. Dan bagaimana, tanpa memahami otak Anda sendiri, untuk mencoba membuat otak buatan? Apakah ini kebodohan atau ambisius? Dan masalahnya bukan tentang potongan-potongan besi yang dikumpulkan ke tumpukan, yang mengarahkan impuls listrik ke tempat yang tepat, sehingga mensimulasikan otak manusia. Ini tentang otak buatan yang lengkap. Upaya menciptakan sesuatu seperti ini tidak jarang terjadi di dunia sains. Di dunia sains, umumnya sulit menemukan apa yang tidak dilakukan orang lain. Hari ini kita akan bertemu dengan Anda studi yang ditujukan untuk implementasi perangkat jaringan neuromorfik molekuler, yang terdiri dari nanotube karbon berdinding tunggal dalam hubungannya dengan polyoxometallate. Kedengarannya sangat sulit, tetapi sangat menarik. Ayo pergi.

Dasar studi

Tidak semua jenis teknologi komputer bekerja dengan prinsip yang sama. Akibatnya, masing-masing jenis lebih cocok untuk tugas-tugas tertentu. Komputer yang mensimulasikan kerja otak manusia menarik bagi para peneliti karena mereka mampu melakukan komputasi berdaya rendah secara efisien, yang lebih sulit untuk ditangani dengan sistem klasik.

Ilmu-ilmu yang mendasari banyak variasi AI (kecerdasan buatan) adalah ilmu komputer dan teknik. Namun, penelitian ini didasarkan pada ilmu saraf, menggabungkan beberapa bidang studi tentang koneksi saraf, proses saraf dan fungsi otak.

Untuk menerapkan konsep "otak buatan", perlu untuk belajar bagaimana membuat neuron impuls buatan yang akan mensimulasikan munculnya impuls saraf (selanjutnya puncak), serta penciptaan jaringan yang kompleks dan padat dari puncak ini.

Pengkodean informasi saraf menggunakan puncak adalah elemen yang sangat penting untuk melakukan operasi transmisi pada membran saraf (jalur transmisi aktif) di dalam media yang bising dan tidak dapat diandalkan.

Untuk sepenuhnya memahami aplikasi praktis dari teknologi, yang belum sepenuhnya dipelajari, masih sulit, seperti yang dikatakan para peneliti. Namun, hasil yang sangat baik sudah terlihat pada penggunaan jaringan saraf besar berdenyut untuk melakukan pemisahan sinyal buta * , komputasi reservoir * , dll.

Pemisahan sinyal buta * - pemisahan satu set sinyal sumber dari sinyal campuran tanpa menggunakan informasi tentang sumber.

Komputasi reservoir * adalah arsitektur jaringan saraf berdenyut, yang terdiri dari reservoir berulang dan neuron keluaran.

Pada saat ini, sistem neuromorfik jauh lebih rendah daripada kemampuan otak manusia, karena mereka terutama terdiri dari perangkat berdasarkan CMOS * . CMOS * - struktur semikonduktor logam oksida pelengkap. Pada gilirannya, para ilmuwan memutuskan untuk mengubah tradisi yang telah mapan ini dengan mendemonstrasikan perangkat jaringan neuromorfik molekuler yang terdiri dari jaringan nanotube karbon berdinding tunggal dikombinasikan dengan polyoxometallate * , yang dalam hal ini merupakan pengganti silikon klasik.


Lapisan Tunggal (SWNT) dan Tabung Karbon Nanotube Multilayer (MWNT)

Polyoxometallate * (POM) adalah ion poliatomik, biasanya anion, yang terdiri dari tiga atau lebih oxyanion logam transisi yang dihubungkan bersama oleh atom oksigen biasa untuk membentuk kerangka kerja tiga dimensi yang tertutup.

Untuk membuat "mesin" neuromorfik analog, diperlukan dua jenis perangkat yang sangat penting: perangkat sinaptik dan membran saraf.

Perangkat sinaptik terletak di persimpangan kabel akson * dan dendritik * pada perangkat saraf dan bertindak sebagai transisi membran, gaya adhesi yang dipertahankan.

Akson * adalah proses sel saraf tubuh melalui mana impuls ditransmisikan dari sel ke organ dan sel lainnya.

Dendrite * adalah proses bercabang dari sel saraf yang menerima informasi dari akson sel saraf lainnya.

Struktur neuron (sel saraf)

Perangkat sinoptik ini terdiri dari jaringan karbon nanotube, yang disebutkan sebelumnya.

Alat membran saraf, yang merupakan ekuivalen artifisial dari neuron, menghasilkan impuls (puncak) dan mentransmisikannya melalui akson dan koneksi dendritik ke perangkat lain dengan sifat yang sama.

Penggunaan nanotube berdinding tunggal disebabkan oleh fakta bahwa konduktor logam berbasis karbon nanotube menghasilkan kebisingan listrik besar dengan dinamika yang kaya. Selain itu, nanotube berdinding tunggal memiliki konduktivitas yang berbeda, tergantung pada * adsorpsi molekul.

Adsorpsi * adalah proses spontan untuk meningkatkan konsentrasi zat terlarut di antarmuka antara dua fase.

Dasar dari seluruh perangkat eksperimental adalah zat dari kategori polioksometalik - asam fosfat dodekolibdenum ( H ₃ PMo ₁₂ O ₄₀ ; selanjutnya hanya PMo ₁₂ ), yang menunjukkan sifat redoks multi-elektron yang dapat dibalik * , universalitas elektronik dan hambatan diferensial negatif * pada grafit pirolitik * yang sangat berorientasi * .

Sifat redoks * - transfer elektron dari satu atom ke atom lainnya. Atom pemberi dioksidasi, dan atom penerima dikurangi.

Negative Differential Resistance * (NDR) adalah jenis resistansi jika, ketika arus mengalir melalui rangkaian, ia meningkat dan tegangan berkurang.

Grafit pirolitik * yang sangat berorientasi - dalam penelitian ini adalah substrat. Ini memiliki konduktivitas dan refleksi yang baik.

Setelah mengumpulkan semua hal di atas menjadi tumpukan, kami mendapatkan perangkat berdasarkan nanotube karbon berdinding tunggal dan polyoxometallate, yang terdiri dari jaringan padat dan kompleks dari molekul PMo ₁₂ yang mensimulasikan jaringan saraf berdenyut.

Untuk kejelasan, hasil percobaan dan perbandingannya dengan perhitungan awal, para peneliti mengusulkan untuk mempertimbangkan model abstrak dua dimensi senyawa molekul.

Hasil Eksperimen

Gambar No. 1

Pada gambar 1a, kita melihat foto mikroskop kekuatan atom (AFM), yang menunjukkan struktur nanotube berdinding tunggal dalam kombinasi dengan polikometometat pada substrat silikon. Diameter elemen struktural tidak melebihi beberapa nanometer, dan total ketebalan struktur adalah 10 nm.

Grafik 1b menunjukkan karakteristik arus dan tegangan yang diukur. Karena tegangan sapuan pengontrol mikroskop kekuatan atom telah diperbaiki dan sangat sementara, pengukuran dilakukan secara eksklusif sebagai pemeriksaan pendahuluan.

Kita dapat mengamati beberapa puncak dalam grafik, yang menunjukkan bahwa arus tidak meningkat dengan lancar, karena tegangan bias meningkat karena karakteristik resistensi diferensial negatif dari perangkat yang diteliti.


Gambar No. 2

Gambar 2a adalah struktur jaringan yang dimaksud. Kuboid kuning adalah elektroda ujung, tabung hitam SWNT, dan titik-titik ungu adalah partikel POM.

2b adalah fotomikrograf dari perangkat jaringan SWNT / POM yang diproduksi yang memiliki beberapa elektroda ujung (1-6 pada gambar) dengan jarak antar elektroda yang berbeda.

Penelitian ini melibatkan dua sampel:

A - diperlakukan dengan etanol;
B - diolah dengan air suling.

Grafik pada gambar 2c adalah perubahan arus dalam sampel A dengan peningkatan bertahap pada tegangan bias dari 0 V ke 125 V.


Gambar No. 3

Grafik 3a menunjukkan karakteristik tegangan-arus * dari sampel A di celah antara elektroda 1 dan 2. Di sini kita melihat puncak NDR (panah merah) antara tegangan bias 125 dan 150 V. Data-data ini dikumpulkan di udara pada suhu kamar dengan siklus kabel listrik rata-rata 100 dan kabel listrik 60 Hz.

Karakteristik volt-ampere * - ketergantungan arus dari rangkaian listrik pada tegangannya.

Ketika tegangan bias ditingkatkan menjadi 150 V, arus menjadi tidak stabil. Dalam hal ini, distribusi non-Gaussian muncul, yang mengarah ke generasi arus periodik / aperiodik. Jika tegangan diatur jauh lebih tinggi dari 150 V, maka seluruh sistem menjadi tidak stabil. Dalam grafik 3b, ini terlihat jelas karena impuls listrik yang muncul. Frekuensi mereka terlihat pada grafik tambahan (disorot dengan warna merah).

Karakteristik tegangan - arus sampel B dalam celah antara elektroda 1 dan 2 ditunjukkan pada grafik 3c . Jika tegangan bias lebih dari 80 V, maka histeresis terjadi, menunjukkan karakteristik NDR dan ketidakstabilan arus. Jika tegangan di bawah 80 V, maka ketidakstabilan fatal tidak diamati karena percepatan transfer ion dalam sampel, yang diperlakukan dengan air suling (sampel B ). Tidak ada efek seperti itu dalam sampel A , karena itu diperlakukan dengan etanol.

Grafik 3d menunjukkan arus pada tegangan bias = 80 V. Di sini Anda dapat melihat tanda-tanda fluktuasi arus periodik / aperiodik (sekitar 25 Hz) dan pulsa listrik acak.

Selanjutnya, kita diperlihatkan grafik Poincaré, di mana kita dapat melihat perbedaan dalam tegangan bias yang diterapkan ( 3e ) dan rasio konsentrasi partikel-partikel polyoxometallate ke nanotube ( 3f ).

Inset pada grafik 3e menunjukkan, sebagai contoh, urutan pulsa pendek, di mana t _n adalah interval puncak n. Indikator ini berfungsi sebagai dasar untuk membuat grafik Poincare. Setiap titik sesuai dengan interval antar-puncaknya (t _n , t _n +1), yang kemudian secara visual membedakan kekacauan dari keacakan.

Mari kita lihat grafik 3e lagi. Semua titik yang merupakan interval interspesifik pada tegangan bias yang berbeda tidak menunjukkan sifat-sifat objek yang mirip diri * . Ini menunjukkan bahwa urutan pulsa yang dihasilkan benar-benar acak.

Kemiripan diri * - ketika bagian dari suatu objek sebagian atau seluruhnya identik dengan objek itu sendiri:

Perlu dicatat bahwa keacakan dan kekacauan adalah hal yang sangat berbeda. Sebenarnya, kata "chaos" dalam matematika atau fisika tidak memiliki arti yang sama dengan yang biasa kita pahami di tingkat sehari-hari. Misalnya, dalam matematika, kekacauan adalah ketika suatu sistem ditentukan, yaitu, hasil dari sistem ini sangat tergantung pada faktor-faktor yang mempengaruhinya. Ternyata kekacauan itu tidak berantakan, tetapi jenis sistem pemesanan tertentu, jika ini sangat dibesar-besarkan.

Asam fosfat dodecomolybdenum (H ₃ PMo ₁₂ O ₄₀ )

Analisis kimia terhadap suatu zat dengan nama yang tidak dapat dilanggar menunjukkan bahwa PMo ₁₂ dapat "menyimpan" hingga 24 elektron, yang tentu saja mengarah pada perubahan tertentu dalam struktur molekul.

Perlu dicatat bahwa konduktivitas satu senyawa molekul bervariasi tergantung pada keadaan elektronik dan struktural, dan ini mengarah pada munculnya suara listrik di wilayah sambungan.

Peneliti memecahkan masalah ini dengan didemonstrasikan oleh ilmuwan lain. Jika kita menerapkan metode perpindahan konduktivitas dengan oksidasi dan reduksi * pada molekul, rasio konduktivitas arus listrik yang lemah ke yang kuat akan melebihi 1000 bahkan pada tegangan bias kurang dari 1 V.

Reduksi * - reduksi dari oksida (antipode oksidasi).

Pengamatan ini juga digunakan dalam membuat model, yang dibahas dalam penelitian ini. Konduktivitas antara molekul polyoxometallate dan nanotube berubah dari lemah menjadi kuat ketika jumlah elektron dalam molekul PMo ₁₂ melebihi jumlah maksimumnya.

Sebagai hasilnya, agar sebuah molekul dapat menampung beberapa elektron, konduktivitas senyawa antar molekul harus rendah. Karena jika ada terlalu banyak muatan di dalamnya, akan ada perbedaan potensial yang mengesankan di seluruh senyawa, yang akan mengarah pada transisi dari konduktivitas rendah ke konduktivitas tinggi.

Ketika elektron yang diserap oleh suatu molekul dikeluarkan melalui senyawa yang sangat konduktif, mereka berpindah ke molekul tetangga dengan potensi terbesar. Jika molekul ini juga "dikemas ke bola mata" dengan elektron, maka reaksi berantai terjadi di seluruh jaringan sistem. Reaksi berantai serupa terjadi dalam tubuh manusia. Sentuh jari Anda ke permukaan yang dingin, reseptor taktil akan menerima informasi tentang flu dan mentransfernya ke otak Anda melalui jaringan saraf. Sederhananya, informasi ini akan bergerak dari ujung jari Anda ke "komputer pribadi" di kepala Anda, dan semua ini dengan kecepatan hingga 120 m / s.

Epilog

Studi ini telah menunjukkan bahwa penggunaan zat tertentu dalam hubungannya dengan struktur nano dapat, dalam keadaan tertentu, mensimulasikan fungsi sistem saraf organisme hidup. Pilihan terverifikasi dari komponen-komponen tersebut, berdasarkan pada sifat kimianya, konduktif secara elektrik, molekul, akan memungkinkan kami untuk membuat sistem yang dapat mentransfer elektron dari satu elemen ke elemen lainnya karena supersaturasi molekul H ₃ PMo ₁₂ O ₄₀ . "Jembatan" di antaranya adalah nanotube karbon berdinding tunggal.

Kami tidak akan membuat kunci awan dan kami akan mengatakan secara langsung bahwa sistem di atas sangat tidak stabil dan belum diingat. Namun, ini adalah langkah besar menuju penciptaan jenis baru (meskipun dijelaskan dalam banyak studi sebelumnya dan bahkan dalam literatur fiksi ilmiah) jenis teknologi komputer. Mesin seperti itu tidak akan dapat menggantikan komputer klasik, setidaknya tidak segera, tetapi akan digunakan untuk mengerjakan tugas-tugas tertentu tertentu. Atau mungkin komputer neuromorfik akan menjadi standar teknologi komputer dan akan membawa gelar "kecerdasan buatan". Waktu akan memberi tahu. Sementara itu, kami akan terus memantau studi tersebut, setiap kali terkejut dengan metode yang semakin tidak standar untuk menerapkan konsep tersebut.

Saya sangat menyarankan agar Anda membiasakan diri dengan laporan para ilmuwan, yang menjelaskan secara rinci metode pengukuran, serta otomat seluler dari model jaringan neuromorfik yang diteliti.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?