Een nieuwe computertechnologie, 'organismoïden' genaamd, bootst sommige aspecten van het menselijk denken na door te leren hoe onbelangrijke herinneringen te vergeten en vitalere te behouden.

"Het menselijk brein is in staat tot continu levenslang leren, " zei Kaushik Roy, Purdue University's Edward G. Tiedemann Jr. Distinguished Professor in Electrical and Computer Engineering. "En het doet dit gedeeltelijk door informatie te vergeten die niet kritisch is. Ik leer langzaam, maar ik vergeet onderweg steeds andere dingen, dus er is een sierlijke achteruitgang in mijn nauwkeurigheid bij het detecteren van dingen die oud zijn. Wat we proberen te doen is dat gedrag van de hersenen tot op zekere hoogte na te bootsen, om computers te maken die niet alleen nieuwe informatie leren, maar ook leren wat ze moeten vergeten."

Het werk werd uitgevoerd door onderzoekers van Purdue, Rutgers Universiteit, het Massachusetts Institute of Technology, Brookhaven National Laboratory en Argonne National Laboratory.

Centraal in het onderzoek staat een keramisch "kwantummateriaal" genaamd samariumnikkelaat, die werd gebruikt om apparaten te maken die organismoïden worden genoemd, zei Shriram Ramanathan, een Purdue hoogleraar materiaalkunde.

"Deze apparaten hebben bepaalde kenmerken van levende wezens en stellen ons in staat om nieuwe leeralgoritmen te ontwikkelen die sommige aspecten van het menselijk brein nabootsen, "Zei Roy. "De resultaten hebben verreikende implicaties voor de velden van kwantummaterialen en hersengeïnspireerd computergebruik."

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een paper die maandag (14 augustus) in het tijdschrift verschijnt Natuurcommunicatie .

Bij blootstelling aan waterstofgas, het materiaal ondergaat een enorme weerstandsverandering, omdat het kristalrooster is "gedoteerd" door waterstofatomen. Van het materiaal wordt gezegd dat het ademt, uitzetten wanneer waterstof wordt toegevoegd en krimpen wanneer de waterstof wordt verwijderd.

"Het belangrijkste aan het materiaal is dat wanneer dit waterstof inademt, er een spectaculair kwantummechanisch effect is waardoor de weerstand met orden van grootte kan veranderen, " zei Ramanathan. "Dit is heel ongebruikelijk, en het effect is omkeerbaar omdat dit doteringsmiddel zwak aan het rooster kan worden gehecht, dus als je de waterstof uit de omgeving haalt, kun je de elektrische weerstand veranderen."

De co-auteurs van het onderzoekspaper zijn onder meer Purdue, postdoctoraal onderzoeksmedewerker Fan Zuo en afgestudeerde student Priyadarshini Panda. Een volledige lijst van co-auteurs is beschikbaar in het abstract.

Wanneer waterstof wordt blootgesteld aan het materiaal, het splitst zich in een proton en een elektron, en het elektron hecht zich aan het nikkel, waardoor het materiaal tijdelijk een isolator wordt.

"Vervolgens, als de waterstof naar buiten komt, dit materiaal wordt weer geleidend, " zei Ramanathan. "Wat we in dit document laten zien, is dat de mate van geleiding en isolatie heel nauwkeurig kan worden afgestemd."

Deze veranderende geleiding en het "verval van die geleiding in de loop van de tijd" is vergelijkbaar met een belangrijk diergedrag dat gewenning wordt genoemd.

"Veel dieren, zelfs organismen die geen hersenen hebben, deze fundamentele overlevingsvaardigheid bezitten, ' zei Roy. 'En daarom noemen we dit organismisch gedrag. Als ik bepaalde informatie regelmatig zie, ik raak gewend, herinnering eraan bewaren. Maar als ik dergelijke informatie al een lange tijd niet meer heb gezien, dan begint het langzaam te rotten. Dus, het gedrag van geleiding dat exponentieel op en neer gaat, kan worden gebruikt om een ​​nieuw computermodel te creëren dat stapsgewijs leert en tegelijkertijd dingen op een goede manier vergeet."

De onderzoekers hebben een "neuraal leermodel" ontwikkeld dat ze adaptieve synaptische plasticiteit hebben genoemd.

"Dit kan heel belangrijk zijn, omdat het een van de eerste voorbeelden is van het rechtstreeks gebruik van kwantummaterialen voor het oplossen van een groot probleem in neuraal leren, ' zei Ramanathan.

De onderzoekers gebruikten de organismoïden om het nieuwe model voor synaptische plasticiteit te implementeren.

"Door dit effect te gebruiken, kunnen we iets modelleren dat een echt probleem is in neuromorfisch computergebruik, ' zei Roy. 'Bijvoorbeeld als ik je gelaatstrekken heb geleerd, kan ik nog steeds de gelaatstrekken van iemand anders leren kennen zonder die van jou echt te vergeten. Echter, dit is moeilijk voor computermodellen om te doen. Bij het leren van uw kenmerken, ze kunnen de kenmerken van de oorspronkelijke persoon vergeten, een probleem dat catastrofaal vergeten wordt genoemd."

Neuromorphic computing is niet bedoeld om conventionele computerhardware voor algemene doeleinden te vervangen, gebaseerd op complementaire metaaloxide-halfgeleidertransistors, of CMOS. In plaats daarvan, het zal naar verwachting werken in combinatie met op CMOS gebaseerde computers. Terwijl CMOS-technologie vooral bedreven is in het uitvoeren van complexe wiskundige berekeningen, neuromorphic computing kan mogelijk rollen vervullen zoals gezichtsherkenning, redeneren en menselijke beslissingen nemen.

Roy's team deed het onderzoek naar het plasticiteitsmodel, en andere medewerkers concentreerden zich op de fysica van het uitleggen van het proces van door doping aangestuurde verandering in geleiding die centraal staat in het artikel. Het multidisciplinaire team bestaat uit experts op het gebied van materialen, Elektrotechniek, natuurkunde, en algoritmen.

"Het komt niet vaak voor dat een materiaalwetenschapper met een circuitpersoon als professor Roy kan praten en iets zinvols kan bedenken, ' zei Ramanathan.

Organismoïden kunnen toepassingen hebben in het opkomende gebied van spintronica. Conventionele computers gebruiken de aan- en afwezigheid van een elektrische lading om enen en nullen weer te geven in een binaire code die nodig is om berekeningen uit te voeren. Spintronica, echter, gebruikt de "spintoestand" van elektronen om enen en nullen weer te geven.

Het zou circuits kunnen brengen die lijken op biologische neuronen en synapsen in een compact ontwerp dat niet mogelijk is met CMOS-circuits. Terwijl er veel CMOS-apparaten nodig zouden zijn om een ​​neuron of synaps na te bootsen, er is misschien maar één spintronic-apparaat nodig.

Bij toekomstig werk, de onderzoekers kunnen laten zien hoe je gewenning kunt bereiken in een geïntegreerd circuit in plaats van het materiaal bloot te stellen aan waterstofgas.