En ny transistor baserad på organiska material har utvecklats av forskare vid Linköpings universitet. Den har förmågan att lära sig, och är utrustad med både korttids- och långtidsminne. Arbetet är ett stort steg på vägen mot att skapa teknik som efterliknar den mänskliga hjärnan.

Tills nu, hjärnor har varit unika i att kunna skapa kopplingar där det inte fanns några tidigare. I en vetenskaplig artikel i Avancerad vetenskap , forskare från Linköpings universitet beskriver en transistor som kan skapa en ny koppling mellan en ingång och en utgång. De har införlivat transistorn i en elektronisk krets som lär sig att koppla en viss stimulans till en utsignal, på samma sätt som en hund lär sig att ljudet av en matskål som förbereds betyder att middagen är på väg.

En normal transistor fungerar som en ventil som förstärker eller dämpar utsignalen, beroende på egenskaperna hos ingångssignalen. I den organiska elektrokemiska transistor som forskarna har utvecklat, kanalen i transistorn består av en elektropolymeriserad ledande polymer. Kanalen kan bildas, vuxit eller krympt, eller helt elimineras under drift. Det kan också tränas att reagera på en viss stimulans, en viss insignal, så att transistorkanalen blir mer ledande och utsignalen större.

"Det är första gången som realtidsbildning av nya elektroniska komponenter visas i neuromorfa enheter", säger Simone Fabiano, huvudforskare i organisk nanoelektronik vid Laboratory of Organic Electronics, Campus Norrköping.

Kanalen odlas genom att öka graden av polymerisation av materialet i transistorkanalen, därigenom ökar antalet polymerkedjor som leder signalen. Alternativt materialet kan överoxideras (genom att pålägga en hög spänning) och kanalen blir inaktiv. Tillfälliga förändringar av konduktiviteten kan också uppnås genom dopning eller avdoping av materialet.

"Vi har visat att vi kan inducera både kortsiktiga och permanenta förändringar i hur transistorn bearbetar information, vilket är avgörande om man vill härma hur hjärnceller kommunicerar med varandra", säger Jennifer Gerasimov, postdoc i organisk nanoelektronik och en av artikelförfattarna.

Genom att ändra insignalen, styrkan på transistorsvaret kan moduleras över ett brett område, och anslutningar kan skapas där inga tidigare funnits. Detta ger transistorn ett beteende som är jämförbart med synapsens, eller kommunikationsgränssnittet mellan två hjärnceller.

Det är också ett stort steg mot maskininlärning med organisk elektronik. Programvarubaserade artificiella neurala nätverk används för närvarande i maskininlärning för att uppnå det som kallas "djupinlärning". Programvara kräver att signalerna sänds mellan ett stort antal noder för att simulera en enda synaps, som tar avsevärd datorkraft och därmed förbrukar avsevärd energi.

"Vi har utvecklat hårdvara som gör samma sak, med en enda elektronisk komponent", säger Jennifer Gerasimov.

"Vår organiska elektrokemiska transistor kan därför utföra arbetet med tusentals normala transistorer med en energiförbrukning som närmar sig den energi som förbrukas när en mänsklig hjärna överför signaler mellan två celler", bekräftar Simone Fabiano.

Transistorkanalen har inte konstruerats med den vanligaste polymeren som används i organisk elektronik, PEDOT, men istället använder man en polymer av en nyutvecklad monomer, ETE-S, producerad av Roger Gabrielsson, som också arbetar på Laboratory of Organic Electronics och är en av författarna till artikeln. ETE -S har flera unika egenskaper som gör den perfekt lämpad för denna applikation - den bildar tillräckligt långa polymerkedjor, är vattenlöslig medan polymerformen inte är det, och det producerar polymerer med en mellannivå av dopning. Polymeren PETE-S produceras i sin dopade form med en inneboende negativ laddning för att balansera de positiva laddningsbärarna (den är p-dopad).