11. Oktober 2023 (Nanowerk-Scheinwerfer) Wissenschaftler haben eine neuartige elektronische Komponente entwickelt, die Lern- und Gedächtnisfunktionen wie das menschliche Gehirn demonstriert. Das neuartige „photoferroelektrische Synapsen“-Gerät, das von einem internationalen Forscherteam aus China entwickelt wurde, ahmt die biologischen Verbindungen zwischen Neuronen nach, die es dem Nervensystem ermöglichen, Wissen zu erwerben und zu speichern. Die Arbeit, veröffentlicht in Fortgeschrittene Funktionsmaterialien („Photoferroelektrische Perowskit-Synapsen für neuromorphes Computing“) bietet einen potenziellen Weg zum Bau intelligenter Maschinen und Computer, die aus Erfahrungen lernen. Es bietet auch Einblicke in die Funktionsweise von Synapsen im Gehirn.
a) Schematische Darstellung der einstufigen Synthese von Perowskitfilmen mit P(VDF-TrFE)-haltigen Antilösungsmitteln. b) Schematische Konfiguration des PFEP-Geräts, zeigt PFEP/Spiro-OMeTAD zwischen der oberen Au-Elektrode und der unteren ITO-Elektrode. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags)
Neuromorphes Engineering ist ein aufstrebendes Gebiet, das darauf abzielt, Gehirnfunktionen in elektronischen Schaltkreisen und Geräten nachzubilden. Ein Kernziel ist die Entwicklung künstlicher neuronaler Netze aus synthetischen Neuronen und Synapsen, die die Anpassungsfähigkeit und den geringen Stromverbrauch biologischer Systeme demonstrieren. Dies könnte zu transformativen Computertechnologien wie selbstfahrenden Autos, Sprachassistenten und krankheitsdiagnostischer KI führen, die eher wie Gehirne als herkömmliche Computer funktionieren. Eine große Herausforderung besteht darin, künstliche Synapsen – die Verbindungen zwischen Neuronen, an denen Signale übertragen werden – zu schaffen, die die in der Biologie bekannte Plastizität aufweisen. Durch die Stärkung und Schwächung synaptischer Verbindungen, die sogenannte synaptische Plastizität, können sich im Gehirn neue Erinnerungen bilden und alte verblassen. Ein Ansatz, dies zu erreichen, ist die Verwendung multifunktionaler Materialien, die Eigenschaften wie Lichtempfindlichkeit, Magnetismus und Ferroelektrizität (die Fähigkeit, elektrische Polarisationen umzudrehen) kombinieren, um die Dynamik des Nervensystems nachzuahmen. Die neue photoferroelektrische Synapse besteht aus einem dünnen Film aus einem bleibasierten Perowskit-Material – einer Materialklasse, die in Solarzellen immer beliebter wird – kombiniert mit einem organischen ferroelektrischen Polymer namens P(VDF-TrFE). Perowskiten haben hervorragende photoelektrische Eigenschaften gezeigt, enthalten jedoch typischerweise Blei, was Umwelt- und Gesundheitsbedenken aufwirft. Die Forscher verwendeten eine niedrige Bleikonzentration und eine dünne Filmform, um die Exposition zu minimieren. Für reale Anwendungen wären jedoch weitere Arbeiten erforderlich, um Blei durch ein ungiftiges Metall zu ersetzen und gleichzeitig die hier gezeigte Multifunktionalität beizubehalten. Der Perowskit sorgt für photoelektrisches Verhalten und erzeugt elektrischen Strom, wenn er Licht ausgesetzt wird, während das Polymer Ferroelektrizität erzeugt, was bedeutet, dass es elektrisch polarisiert werden kann, mit positiven und negativen Polen, analog zu winzigen Stabmagneten, die durch Anlegen von Spannung umgedreht werden können. Diese Kombination von Eigenschaften ermöglicht es der Synapse, mehrere Arten synaptischer Plastizität nachzuahmen, die in biologischen Synapsen beobachtet werden, einschließlich der Erleichterung/Depression gepaarter Impulse und der vom Spike-Timing abhängigen Plastizität. Diese Effekte stimmen die Stärke der Verbindungen zwischen Neuronen als Reaktion auf Muster neuronaler Aktivität ab und gelten als die zelluläre Grundlage für das Lernen. Eine wichtige Innovation war die Entdeckung, dass die Polarisierung des Geräts – das „Training“ durch Anlegen von Spannung – sowohl die ferroelektrischen Eigenschaften des Materials stärkt als auch seine photoelektrische Reaktion verbessert. Die Forscher zeigten, dass dieser photoferroelektrische Effekt genutzt werden kann, um die Pawlowsche Konditionierung zu simulieren: die berühmten Experimente, bei denen Hunde lernten, eine klingelnde Glocke mit dem Füttern in Verbindung zu bringen. Diese Lerndemonstration wurde im Gerät durch die Kombination von Licht- und Spannungsimpulsen erreicht. Den Autoren zufolge liefert die Arbeit ein neues Paradigma für multifunktionale Materialien für neuromorphes Computing und nerveninspirierte Elektronik. Die photoferroelektrischen Synapsen könnten den Weg für selbstlernende Computersysteme mit geringem Stromverbrauch ebnen, die eher wie Gehirne als herkömmliche Computer funktionieren, und zu transformativen Technologien wie selbstfahrenden Autos, Sprachassistenten und KI zur Krankheitsdiagnose führen. Neuromorphe Systeme, die die Biologie nachahmen, könnten um Größenordnungen energieeffizienter sein als herkömmliche KI-Hardware und ermöglichen so fortschrittliche Intelligenz auf kleinen Geräten. Durch ein besseres Verständnis der synaptischen Funktion könnte die Forschung auch Licht auf die Geheimnisse der biologischen Intelligenz werfen.
By
Michael
Berger
a) Schematische Darstellung der einstufigen Synthese von Perowskitfilmen mit P(VDF-TrFE)-haltigen Antilösungsmitteln. b) Schematische Konfiguration des PFEP-Geräts, zeigt PFEP/Spiro-OMeTAD zwischen der oberen Au-Elektrode und der unteren ITO-Elektrode. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags)
Neuromorphes Engineering ist ein aufstrebendes Gebiet, das darauf abzielt, Gehirnfunktionen in elektronischen Schaltkreisen und Geräten nachzubilden. Ein Kernziel ist die Entwicklung künstlicher neuronaler Netze aus synthetischen Neuronen und Synapsen, die die Anpassungsfähigkeit und den geringen Stromverbrauch biologischer Systeme demonstrieren. Dies könnte zu transformativen Computertechnologien wie selbstfahrenden Autos, Sprachassistenten und krankheitsdiagnostischer KI führen, die eher wie Gehirne als herkömmliche Computer funktionieren. Eine große Herausforderung besteht darin, künstliche Synapsen – die Verbindungen zwischen Neuronen, an denen Signale übertragen werden – zu schaffen, die die in der Biologie bekannte Plastizität aufweisen. Durch die Stärkung und Schwächung synaptischer Verbindungen, die sogenannte synaptische Plastizität, können sich im Gehirn neue Erinnerungen bilden und alte verblassen. Ein Ansatz, dies zu erreichen, ist die Verwendung multifunktionaler Materialien, die Eigenschaften wie Lichtempfindlichkeit, Magnetismus und Ferroelektrizität (die Fähigkeit, elektrische Polarisationen umzudrehen) kombinieren, um die Dynamik des Nervensystems nachzuahmen. Die neue photoferroelektrische Synapse besteht aus einem dünnen Film aus einem bleibasierten Perowskit-Material – einer Materialklasse, die in Solarzellen immer beliebter wird – kombiniert mit einem organischen ferroelektrischen Polymer namens P(VDF-TrFE). Perowskiten haben hervorragende photoelektrische Eigenschaften gezeigt, enthalten jedoch typischerweise Blei, was Umwelt- und Gesundheitsbedenken aufwirft. Die Forscher verwendeten eine niedrige Bleikonzentration und eine dünne Filmform, um die Exposition zu minimieren. Für reale Anwendungen wären jedoch weitere Arbeiten erforderlich, um Blei durch ein ungiftiges Metall zu ersetzen und gleichzeitig die hier gezeigte Multifunktionalität beizubehalten. Der Perowskit sorgt für photoelektrisches Verhalten und erzeugt elektrischen Strom, wenn er Licht ausgesetzt wird, während das Polymer Ferroelektrizität erzeugt, was bedeutet, dass es elektrisch polarisiert werden kann, mit positiven und negativen Polen, analog zu winzigen Stabmagneten, die durch Anlegen von Spannung umgedreht werden können. Diese Kombination von Eigenschaften ermöglicht es der Synapse, mehrere Arten synaptischer Plastizität nachzuahmen, die in biologischen Synapsen beobachtet werden, einschließlich der Erleichterung/Depression gepaarter Impulse und der vom Spike-Timing abhängigen Plastizität. Diese Effekte stimmen die Stärke der Verbindungen zwischen Neuronen als Reaktion auf Muster neuronaler Aktivität ab und gelten als die zelluläre Grundlage für das Lernen. Eine wichtige Innovation war die Entdeckung, dass die Polarisierung des Geräts – das „Training“ durch Anlegen von Spannung – sowohl die ferroelektrischen Eigenschaften des Materials stärkt als auch seine photoelektrische Reaktion verbessert. Die Forscher zeigten, dass dieser photoferroelektrische Effekt genutzt werden kann, um die Pawlowsche Konditionierung zu simulieren: die berühmten Experimente, bei denen Hunde lernten, eine klingelnde Glocke mit dem Füttern in Verbindung zu bringen. Diese Lerndemonstration wurde im Gerät durch die Kombination von Licht- und Spannungsimpulsen erreicht. Den Autoren zufolge liefert die Arbeit ein neues Paradigma für multifunktionale Materialien für neuromorphes Computing und nerveninspirierte Elektronik. Die photoferroelektrischen Synapsen könnten den Weg für selbstlernende Computersysteme mit geringem Stromverbrauch ebnen, die eher wie Gehirne als herkömmliche Computer funktionieren, und zu transformativen Technologien wie selbstfahrenden Autos, Sprachassistenten und KI zur Krankheitsdiagnose führen. Neuromorphe Systeme, die die Biologie nachahmen, könnten um Größenordnungen energieeffizienter sein als herkömmliche KI-Hardware und ermöglichen so fortschrittliche Intelligenz auf kleinen Geräten. Durch ein besseres Verständnis der synaptischen Funktion könnte die Forschung auch Licht auf die Geheimnisse der biologischen Intelligenz werfen.
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Michael
Berger
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
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Nanowerk LLC
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