Wetenschappers van de Universiteit van Linköping hebben een nieuwe transistor ontwikkeld op basis van organische materialen. Het heeft het vermogen om te leren, en is uitgerust met zowel korte- als langetermijngeheugen. Het werk is een grote stap op weg naar het creëren van technologie die het menselijk brein nabootst.

Tot nu, hersenen zijn uniek in het kunnen creëren van verbindingen waar er voorheen geen waren. In een wetenschappelijk artikel in Geavanceerde wetenschap , onderzoekers van de Universiteit van Linköping beschrijven een transistor die een nieuwe verbinding kan maken tussen een ingang en een uitgang. Ze hebben de transistor ingebouwd in een elektronische schakeling die leert een bepaalde stimulus te koppelen aan een uitgangssignaal, op dezelfde manier dat een hond leert dat het geluid van een etensbak die wordt klaargemaakt, betekent dat het avondeten onderweg is.

Een normale transistor fungeert als een klep die het uitgangssignaal versterkt of dempt, afhankelijk van de kenmerken van het ingangssignaal. In de organische elektrochemische transistor die de onderzoekers hebben ontwikkeld, het kanaal in de transistor bestaat uit een elektrogepolymeriseerd geleidend polymeer. Het kanaal kan worden gevormd, gegroeid of gekrompen, of volledig geëlimineerd tijdens bedrijf. Het kan ook worden getraind om op een bepaalde stimulus te reageren, een bepaald ingangssignaal, zodat het transistorkanaal meer geleidend wordt en het uitgangssignaal groter.

"Het is de eerste keer dat realtime vorming van nieuwe elektronische componenten wordt getoond in neuromorfe apparaten", zegt Simone Fabiano, hoofdonderzoeker in organische nano-elektronica bij het Laboratorium voor Organische Elektronica, Campus Norrköping.

Het kanaal wordt gegroeid door de mate van polymerisatie van het materiaal in het transistorkanaal te verhogen, waardoor het aantal polymeerketens dat het signaal geleidt, toeneemt. Alternatief, het materiaal kan overgeoxideerd zijn (door het aanleggen van een hoge spanning) en het kanaal wordt inactief. Tijdelijke veranderingen van de geleidbaarheid kunnen ook worden bereikt door het materiaal te doteren of te dedoperen.

"We hebben aangetoond dat we zowel korte als permanente veranderingen kunnen veroorzaken in de manier waarop de transistor informatie verwerkt, wat van vitaal belang is als men de manieren wil nabootsen waarop hersencellen met elkaar communiceren", zegt Jennifer Gerasimov, postdoc in organische nano-elektronica en een van de auteurs van het artikel.

Door het ingangssignaal te veranderen, de sterkte van de transistorrespons kan over een breed bereik worden gemoduleerd, en verbindingen kunnen worden gemaakt waar er voorheen geen waren. Dit geeft de transistor een gedrag dat vergelijkbaar is met dat van de synaps, of de communicatie-interface tussen twee hersencellen.

Het is ook een grote stap in de richting van machine learning met behulp van organische elektronica. Op software gebaseerde kunstmatige neurale netwerken worden momenteel gebruikt in machine learning om te bereiken wat bekend staat als "deep learning". Software vereist dat de signalen worden verzonden tussen een groot aantal knooppunten om een ​​enkele synaps te simuleren, wat veel rekenkracht kost en dus veel energie verbruikt.

"We hebben hardware ontwikkeld die hetzelfde doet, met behulp van een enkele elektronische component", zegt Jennifer Gerasimov.

"Onze organische elektrochemische transistor kan daarom het werk uitvoeren van duizenden normale transistors met een energieverbruik dat de energie benadert die wordt verbruikt wanneer een menselijk brein signalen tussen twee cellen verzendt", bevestigt Simone Fabiano.

Het transistorkanaal is niet geconstrueerd met behulp van het meest voorkomende polymeer dat wordt gebruikt in organische elektronica, PEDOT, maar in plaats daarvan met behulp van een polymeer van een nieuw ontwikkeld monomeer, ETE-S, geproduceerd door Roger Gabrielsson, die ook bij het Laboratory of Organic Electronics werkt en een van de auteurs van het artikel is. ETE-S heeft verschillende unieke eigenschappen die het perfect geschikt maken voor deze toepassing - het vormt voldoende lange polymeerketens, is in water oplosbaar, terwijl de polymeervorm dat niet is, en het produceert polymeren met een gemiddeld dopingniveau. Het polymeer PETE-S wordt geproduceerd in zijn gedoteerde vorm met een intrinsieke negatieve lading om de positieve ladingsdragers in evenwicht te brengen (het is p-gedoteerd).