Elk wakker moment, ons brein verwerkt een enorme hoeveelheid gegevens om de buitenwereld te begrijpen. Dus, door na te bootsen hoe het menselijk brein alledaagse problemen oplost, neuromorfe systemen hebben een enorm potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in big data-analyse en patroonherkenningsproblemen die een strijd vormen voor de huidige digitale technologieën. Maar om kunstmatige systemen meer hersenachtig te maken, ze moeten repliceren hoe zenuwcellen communiceren op hun terminals, de synapsen genoemd.

In een studie gepubliceerd in het septembernummer van het tijdschrift van de American Chemical Society , onderzoekers van de Texas A&M University beschreven een nieuw materiaal dat het patroon van elektrische activiteit in de synaps vastlegt. Net zoals een zenuwcel een puls van oscillerende stroom produceert, afhankelijk van de geschiedenis van elektrische activiteit in zijn synaps, de onderzoekers zeiden dat hun materiaal oscilleert van metaal naar isolator bij een overgangstemperatuur die wordt bepaald door de thermische geschiedenis van het apparaat.

Materialen worden over het algemeen ingedeeld in metalen of isolatoren, afhankelijk van of ze warmte en elektriciteit geleiden. Maar sommige materialen zoals vanadiumdioxide, een dubbelleven leiden. Bij bepaalde temperaturen kan vanadiumdioxide werkt als een isolator, weerstand bieden aan de stroom van warmte en elektrische stromen. Maar bij verhitting tot 67 graden Celsius, vanadiumdioxide ondergaat een kameleonachtige verandering in zijn interne eigenschappen, omzetten in een metaal.

Deze heen-en-weer oscillaties als gevolg van temperatuur maken vanadiumdioxide een ideale kandidaat voor door de hersenen geïnspireerde elektronische systemen, aangezien neuronen ook een oscillerende stroom produceren, actiepotentiaal genoemd.

Maar neuronen bundelen hun input ook bij hun synaps. Deze integratie verhoogt de spanning van het membraan van het neuron gestaag, waardoor het dichter bij een drempelwaarde komt. Wanneer deze drempel wordt overschreden, neuronen vuren een actiepotentiaal af.

"Een neuron kan onthouden op welke spanning zijn membraan zit en afhankelijk van waar zijn membraanspanning is ten opzichte van de drempel, het neuron zal ofwel vuren of slapend blijven, " zei Dr. Sarbajit Banerjee, hoogleraar bij de vakgroep Materiaalwetenschappen en Engineering en de vakgroep Scheikunde, en een van de senior auteurs van de studie. "We wilden de eigenschap van vanadiumdioxide aanpassen, zodat het een herinnering behoudt van hoe dicht het bij de overgangstemperatuur is, zodat we kunnen beginnen na te bootsen wat er gebeurt in de synaps van biologische neuronen."

De overgangstemperaturen voor een bepaald materiaal zijn over het algemeen vast, tenzij een onzuiverheid, een doteringsmiddel genoemd, is toegevoegd. Hoewel een doteermiddel de overgangstemperatuur kan verplaatsen, afhankelijk van het type en de concentratie in vanadiumdioxide, Het doel van Banerjee en zijn team was om een ​​middel te creëren om de overgangstemperatuur omhoog of omlaag te brengen op een manier die niet alleen de concentratie van de doteerstof weergeeft, maar ook de tijd die is verstreken sinds het opnieuw instellen. Deze flexibiliteit, ze vonden, was alleen mogelijk als ze het borium gebruikten.

Toen de onderzoekers boor aan vanadiumdioxide toevoegden, het materiaal is nog steeds overgegaan van een isolator naar een metaal, maar de overgangstemperatuur hing nu af van hoe lang het in een nieuwe metastabiele toestand bleef die door boor werd gecreëerd.

"Biologische neuronen hebben een geheugen van hun membraanspanning; met borium verrijkt vanadiumdioxide heeft een herinnering aan zijn thermische geschiedenis, of formeel gesproken, hoe lang het in een metastabiele toestand is geweest, " zei Dr. Diane Sellers, een van de belangrijkste auteurs van de studie en een voormalig onderzoeker in het laboratorium van Banerjee. "Dit geheugen bepaalt de overgangstemperatuur waarbij het apparaat wordt aangedreven om van metaal naar een isolator te oscilleren."

Hoewel hun systeem een ​​eerste stap is in het nabootsen van een biologische synaps, er zijn momenteel experimenten aan de gang om meer dynamiek in het gedrag van het materiaal te introduceren door de kinetiek van het relaxatieproces van vanadiumdioxide te regelen, zei Dr. Patrick Shamberger, professor in de materiaalkunde afdeling en een corresponderende auteur op de studie.

In de nabije toekomst, Dr. Xiaofeng Qiang, professor in de materiaalkunde afdeling en Banerjee's medewerker aan dit project, is van plan om het huidige onderzoek uit te breiden door de atomaire en elektronische structuren van andere meer complexe vanadiumoxideverbindingen te verkennen. In aanvulling, het samenwerkingsteam zal ook de mogelijkheid onderzoeken om andere neuromorfe materialen te maken met alternatieve doteermiddelen.

"We willen onderzoeken of het fenomeen dat we hebben waargenomen met vanadiumdioxide van toepassing is op andere gastheerroosters en andere gastatomen, " zei Dr. Raymundo Arróyave, professor in de materiaalkunde afdeling en een corresponderende auteur op de studie. "Dit inzicht kan ons verschillende hulpmiddelen bieden om de eigenschappen van dit soort neuromorfe materialen verder af te stemmen voor diverse toepassingen."

Erick J. Braham van de afdeling Scheikunde is een co-primaire auteur van deze studie. Andere bijdragen aan dit onderzoek zijn Baiyu Zhang, Drs. Timothy D. Brown en Heidi Clarke van de afdeling materiaalkunde; Ruben Villarreal van de J. Mike Walker '66 Department of Mechanical Engineering; Abishek Parija, Theodore E.G. Alivio en Dr. Luis R. De Jesus van de afdeling Chemie; Dr. Lucia Zuin van de Universiteit van Saskatchewan, Canada; en Dr. David Prendergast van het Lawrence Berkeley National Laboratory, Californië.