Perangkat Komputasi Otak Baru Sebagai Elektrokimia “Transistor Sinaptik” Mensimulasikan Pembelajaran Manusia

Konsepsi artis tentang sinapsis buatan.

Seperti anjing Pavlov, perangkat dapat dikondisikan untuk belajar melalui asosiasi.

Para peneliti telah mengembangkan perangkat komputer mirip otak yang mampu belajar melalui asosiasi.

Mirip dengan bagaimana ahli fisiologi terkenal Ivan Pavlov mengkondisikan anjing untuk mengasosiasikan bel dengan makanan, kata para peneliti Universitas Northwestern dan Universitas Hong Kong telah berhasil mengkondisikan sirkuitnya untuk mengasosiasikan cahaya dengan tekanan.

Riset tersebut akan dipublikasikan hari ini (30 April 2021) di jurnal Komunikasi Alam.

Rahasia perangkat ini terletak pada “transistor sinaptik” elektrokimia organik baru yang secara bersamaan memproses dan menyimpan informasi seperti otak manusia. Para peneliti telah menunjukkan bahwa transistor dapat meniru plastisitas sinapsis jangka pendek dan jangka panjang di otak manusia, berdasarkan ingatan yang akan dipelajari dari waktu ke waktu.

Dengan kemampuan seperti otaknya, transistor dan sirkuit baru berpotensi mengatasi keterbatasan komputasi tradisional, termasuk perangkat keras yang memanfaatkan daya dan kemampuan terbatas untuk melakukan lebih banyak aktivitas sekaligus. Perangkat mirip otak ini juga memiliki toleransi kesalahan yang lebih tinggi, terus beroperasi dengan lancar bahkan saat beberapa komponen rusak.

Sinapsis Buatan

Dengan menghubungkan transistor sinaptik tunggal dalam sirkuit neuromorfik, para peneliti menunjukkan bahwa perangkat mereka dapat mensimulasikan pembelajaran asosiatif. Kredit: Universitas Northwestern

Array Transistor Sinaptik

“Meskipun komputer modern luar biasa, otak manusia dapat dengan mudah mengungguli beberapa aktivitas yang kompleks dan tidak terstruktur, seperti pengenalan pola, kontrol motorik, dan integrasi multisensori,” kata Jonathan Rivnay, penulis senior studi tersebut. “Ini berkat plastisitas sinapsis, yang merupakan fondasi dasar kekuatan komputasi otak. Sinapsis ini memungkinkan otak bekerja secara paralel, toleran terhadap kesalahan, dan hemat energi. Dalam pekerjaan kami, kami mendemonstrasikan sebuah transistor organik dan plastik yang meniru fungsi utama sinapsis biologis. “

Rivnay adalah asisten profesor teknik biomedis di Sekolah Teknik McCormick di Northwest. Dia memimpin penelitian dengan Paddy Chan, profesor teknik mesin di Universitas Hong Kong. Xudong Ji, seorang peneliti postdoctoral di grup Rivnay, adalah penulis pertama makalah ini.

Masalah dengan komputasi konvensional

Sistem komputasi digital konvensional memiliki unit pemrosesan dan penyimpanan terpisah, yang menyebabkan tugas intensif data menghabiskan energi dalam jumlah besar. Terinspirasi oleh proses gabungan komputasi dan penyimpanan di otak manusia, para peneliti, dalam beberapa tahun terakhir, telah berusaha mengembangkan komputer yang berfungsi lebih seperti otak manusia, dengan skema perangkat yang berfungsi seperti jaringan neuron.

“Cara kerja sistem komputer kita saat ini adalah dengan memisahkan memori dan logika secara fisik,” kata Ji. “Buat komputer dan kirim informasi ini ke unit memori. Setiap kali Anda ingin memulihkan informasi itu, Anda harus mengingatnya. Jika kami dapat menggabungkan kedua fungsi ini secara terpisah, kami dapat menghemat ruang dan menghemat biaya energi.”

Saat ini, resistor memori, atau “memristor,” adalah teknologi paling berkembang yang dapat melakukan transformasi gabungan dan fungsi memori, tetapi memristor mengalami konversi energi yang mahal dan biokompatibilitas yang lebih sedikit. Kerugian ini telah mengarahkan para peneliti ke transistor sinaptik – khususnya transistor sinaptik elektrokimia organik, yang beroperasi dengan tegangan rendah, memori merdu terus menerus dan kompatibilitas tinggi untuk aplikasi biologis. Namun, ada tantangannya.

“Bahkan transistor sinaptik elektrokimia organik berkinerja tinggi mengharuskan operasi tulis dipisahkan dari operasi baca,” kata Rivnay. “Jadi jika Anda ingin menyimpan memori, Anda harus memutuskannya dari proses penulisan, yang selanjutnya dapat mempersulit integrasi ke dalam sirkuit atau sistem.”

Cara kerja transistor sinaptik

Untuk mengatasi tantangan tersebut, tim dari Northwest dan University of Hong Kong telah mengoptimalkan bahan plastik konduktif pada transistor organik elektrokimia yang dapat menjebak ion. Di otak, sinaps adalah struktur di mana neuron dapat mengirimkan sinyal ke neuron lain, menggunakan molekul kecil yang disebut neurotransmitter. Dalam transistor sinaptik, ion berperilaku mirip dengan neurotransmiter, mengirimkan sinyal antar terminal untuk membentuk sinapsis buatan. Dengan menyimpan data yang disimpan oleh ion yang terperangkap, transistor mengingat aktivitas sebelumnya, mengembangkan plastisitas jangka panjang.

Para peneliti mendemonstrasikan perilaku sinaptik perangkat mereka dengan menghubungkan transistor sinaptik tunggal dalam sirkuit neuromorfik untuk mensimulasikan pembelajaran asosiatif. Mereka mengintegrasikan sensor tekanan dan cahaya di sirkuit dan melatih sirkuit untuk menghubungkan dua input fisik independen (tekanan dan cahaya) satu sama lain.

Mungkin contoh paling terkenal dari pembelajaran asosiatif adalah anjing Pavlov, yang secara alami mengendus saat menemukan makanan. Setelah mengkondisikan anjing untuk mengasosiasikan bel dengan makanan, anjing juga mulai menggonggong saat mendengar suara bel. Untuk sirkuit neuromorfik, para peneliti mengaktifkan tegangan dengan memberikan tekanan dengan sidik jari. Untuk mengkondisikan sirkuit untuk mengaitkan cahaya dengan tekanan, para peneliti pertama-tama menerapkan cahaya berdenyut dari bohlam LED dan kemudian segera memberikan tekanan. Dalam skenario ini, tekanan adalah makanan dan lampu adalah bel. Sensor yang sesuai pada perangkat mendeteksi kedua input.

Setelah siklus latihan, sirkuit membuat koneksi awal antara cahaya dan tekanan. Setelah lima siklus latihan, sirkuit secara signifikan mengaitkan cahaya dengan tekanan. Cahaya itu sendiri, mampu memicu sinyal, atau “respons tanpa syarat.”

Aplikasi masa depan

Karena sirkuit sinaptik terbuat dari polimer lunak, seperti plastik, maka dapat dengan mudah dibuat pada lembaran fleksibel dan mudah diintegrasikan ke dalam perangkat elektronik yang lembut dan dapat dikenakan, robotika cerdas, dan perangkat implan yang terhubung langsung dengan jaringan hidup juga. Otak.

“Sementara aplikasi kami adalah bukti konsep, sirkuit yang kami usulkan dapat diperluas lebih lanjut untuk memasukkan lebih banyak input sensorik dan terintegrasi dengan elektronik lain untuk memungkinkan komputasi berdaya rendah di tempat,” kata Rivnay. “Karena kompatibel dengan lingkungan biologis, perangkat dapat berinteraksi langsung dengan jaringan hidup, yang sangat penting untuk bioelektronik generasi berikutnya.”

Referensi: “Pembelajaran asosiatif meniru menggunakan transistor elektrokimia penangkap ion organik sinaptik non-volatil” 30 April 2021, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038 / s41467-021-22680-5

Studi ini didukung oleh National Science Foundation (nomor hadiah DMR-1751308), Hong Kong General Research Fund (nomor hadiah HKU 17264016 dan HKU 17204517) dan National Foundation of Natural Sciences of China.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Alat-alat baru dibutuhkan untuk mencegah pandemi penyakit tanaman

Mengamati penyakit tanaman dapat mengungkapkan keamanan pangan. Penyakit tanaman tidak berhenti di perbatasan negara, dan kilometer lautan juga tidak mencegah penyebarannya. Itulah mengapa pengawasan...

Ilmuwan Menjelajahi Tesla Roads Jangan Ambil – Dan Temukan Kekuatan Baru Berguna dalam Penemuan Centennial

Foto eksposur ganda Nikola Tesla pada bulan Desember 1899 duduk di laboratoriumnya di Colorado Springs di sebelah kaca pembesar generator tegangan tinggi sementara mesin...

Untuk Mempercepat Akses, Mikroskopi yang Sangat Dapat Diputar Meninggalkan “Di Bawah Kisi”

Contoh desain ubin yang digunakan pada ulat percobaan C. elegans. Mesin non-grid memberi model fleksibilitas sementara untuk dengan cepat memasuki lingkungan yang menyenangkan....

Lingkar Kuno Munculnya Tektonik Lempeng Data 3,6 Miliar Tahun Lalu – Peristiwa Penting untuk Memperkaya Kehidupan Bumi

Zirkonia yang dipelajari oleh tim peneliti, difoto menggunakan katodoluminesensi, memungkinkan tim untuk melihat bagian dalam kristal menggunakan mikroskop elektron khusus. Lingkar zirkon adalah...

Bisakah kita mengurangi kecanduan opioid? [Video]

Pada 2017, jutaan orang di seluruh dunia kecanduan opioid dan 115.000 meninggal karena overdosis. Opioid adalah obat penghilang rasa sakit paling manjur yang kita miliki,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.