Varje vaket ögonblick, vår hjärna bearbetar en enorm mängd data för att förstå omvärlden. Således, genom att imitera hur den mänskliga hjärnan löser vardagliga problem, neuromorfa system har en enorm potential att revolutionera stordataanalys och problem med mönsterigenkänning som är en kamp för nuvarande digitala teknologier. Men för att artificiella system ska vara mer hjärnliknande, de behöver replikera hur nervceller kommunicerar vid sina terminaler, kallade synapserna.
I en studie publicerad i septembernumret av Journal of the American Chemical Society , forskare vid Texas A&M University beskrev ett nytt material som fångar mönstret för elektrisk aktivitet vid synapsen. Ungefär som hur en nervcell producerar en puls av oscillerande ström beroende på historien om elektrisk aktivitet vid dess synaps, forskarna sa att deras material svänger från metall till isolator vid en övergångstemperatur som bestäms av enhetens termiska historia.
Material klassificeras i allmänhet i metaller eller isolatorer beroende på om de leder värme och elektricitet. Men vissa material, som vanadindioxid, leva ett dubbelliv. Vid vissa temperaturer, vanadindioxid fungerar som en isolator, motstå värmeflödet och elektriska strömmar. Men när den värms upp till 67 grader Celsius, vanadindioxid genomgår en kameleontliknande förändring i sina inre egenskaper, omvandlas till en metall.
Dessa fram och tillbaka svängningar på grund av temperaturen gör vanadiumdioxid till en idealisk kandidat för hjärninspirerade elektroniska system eftersom neuroner också producerar en oscillerande ström, kallas en actionpotential.
Men neuroner samlar också sina input vid sin synaps. Denna integration ökar spänningen i neuronens membran stadigt, för det närmare ett tröskelvärde. När denna tröskel passeras, neuroner avfyrar en åtgärdspotential.
"En neuron kan komma ihåg vilken spänning dess membran sitter på och beroende på var dess membranspänning är i förhållande till tröskeln, neuronen kommer antingen att avfyras eller förbli vilande, " sa Dr Sarbajit Banerjee, professor vid Institutionen för materialvetenskap och teknik och Institutionen för kemi, och en av de äldre författarna till studien. "Vi ville finjustera egenskapen hos vanadindioxid så att den behåller lite minne av hur nära den är övergångstemperaturen så att vi kan börja härma vad som händer vid synapsen av biologiska neuroner."
Övergångstemperaturerna för ett givet material är i allmänhet fasta om inte en förorening, kallas dopingmedel, är adderat. Även om ett dopmedel kan flytta övergångstemperaturen beroende på dess typ och koncentration inom vanadiumdioxid, Banerjee och hans teams mål var att ge ett sätt att justera övergångstemperaturen upp eller ner på ett sätt som inte bara återspeglar koncentrationen av dopämnet utan också den tid som förflutit sedan den återställdes. Denna flexibilitet, de hittade, var endast möjligt när de använde bor.
När forskarna lade till bor till vanadindioxid, materialet övergår fortfarande från en isolator till en metall, men övergångstemperaturen berodde nu på hur länge den förblev i ett nytt metastabilt tillstånd skapat av bor.
"Biologiska neuroner har minne av sin membranspänning; på samma sätt, borspikad vanadindioxid har ett minne av sin termiska historia, eller formellt sett, hur länge det har varit i ett metastabilt tillstånd, " sa Dr Diane Sellers, en av de primära författarna till studien och en tidigare forskare i Banerjees laboratorium. "Detta minne bestämmer övergångstemperaturen vid vilken enheten drivs att svänga från metall till en isolator."
Medan deras system är ett första steg i att efterlikna en biologisk synaps, experiment pågår för närvarande för att introducera mer dynamik i materialets beteende genom att kontrollera kinetiken för avslappningsprocessen för vanadindioxid, sa Dr Patrick Shamberger, professor vid materialvetenskapsavdelningen och en motsvarande författare på studien.
Inom en snar framtid, Dr Xiaofeng Qiang, professor vid materialvetenskapsavdelningen och Banerjees samarbetspartner i detta projekt, planerar att utöka den nuvarande forskningen genom att utforska atomära och elektroniska strukturer hos andra mer komplexa vanadinoxidföreningar. Dessutom, teamet kommer också att undersöka möjligheten att skapa andra neuromorfa material med alternativa dopmedel.
"Vi vill undersöka om fenomenet vi har observerat med vanadiumdioxid gäller andra värdgaller och andra gästatomer, " sa Dr Raymundo Arróyave, professor vid materialvetenskapsavdelningen och en motsvarande författare till studien. "Denna insikt kan ge oss flera verktyg för att ytterligare finjustera egenskaperna hos dessa typer av neuromorfa material för olika tillämpningar."
Erick J. Braham från Institutionen för kemi är medförfattare till denna studie. Andra bidragsgivare till denna forskning inkluderar Baiyu Zhang, Drs. Timothy D. Brown och Heidi Clarke från materialvetenskapsavdelningen; Ruben Villarreal från J. Mike Walker '66 Department of Mechanical Engineering; Abhishek Parija, Theodore E. G. Alivio och Dr Luis R. De Jesus från Institutionen för kemi; Dr Lucia Zuin från University of Saskatchewan, Kanada; och Dr David Prendergast från Lawrence Berkeley National Laboratory, Kalifornien.
