Multifunctionele en diverse kunstmatige neurale systemen kunnen multimodale plasticiteit, geheugen en gesuperviseerde leerfuncties om neuromorfische berekeningen te ondersteunen. In een nieuw rapport Jinran Yu en een onderzoeksteam in nano-energie, nanowetenschap en materiaalwetenschap in China en de VS., presenteerde een bio-geïnspireerde mechano-fotonische kunstmatige synaps met synergetische mechanische en optische plasticiteit. Het team gebruikte een opto-elektronische transistor gemaakt van grafeen/molybdeendisulfide (MoS ₂ ) heterostructuur en een geïntegreerde tribo-elektrische nanogenerator om de kunstmatige synaps samen te stellen. Ze controleerden de ladingsoverdracht / uitwisseling in de heterostructuur met tribo-elektrisch potentieel en moduleerden het opto-elektronische synapsgedrag gemakkelijk, inclusief postsynaptische fotostromen, lichtgevoeligheid en fotogeleiding. De mechanisch-fotonische kunstmatige synaps is een veelbelovende implementatie om het complexe biologische zenuwstelsel na te bootsen en de ontwikkeling van interactieve kunstmatige intelligentie te bevorderen. Het werk is nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Hersenen geïnspireerde neurale netwerken.

Het menselijk brein kan cognitie integreren, leer- en geheugentaken via auditieve, visueel, olfactorische en somatosensorische interacties. Dit proces is moeilijk na te bootsen met conventionele von Neumann-architecturen die extra geavanceerde functies vereisen. Op de hersenen geïnspireerde neurale netwerken zijn gemaakt van verschillende synaptische apparaten om informatie te verzenden en te verwerken met behulp van het synaptische gewicht. Opkomende fotonische synaps combineren de optische en elektrische neuromorfische modulatie en berekening om een ​​gunstige optie met hoge bandbreedte te bieden, hoge snelheid en lage overspraak om het stroomverbruik aanzienlijk te verminderen. Biomechanische bewegingen inclusief aanraking, oogknipperen en armzwaaien zijn andere alomtegenwoordige triggers of interactieve signalen om elektronica te bedienen tijdens kunstmatige synapsplasticisatie. In dit werk, Yu et al. presenteerde een mechanisch-fotonische kunstmatige synaps met synergetische mechanische en optische plasticiteit. Het apparaat bevatte een opto-elektronische transistor en een geïntegreerde tribo-elektrische nanogenerator (TENG) in contactscheidingsmodus. De mechanisch-optische kunstmatige synapsen hebben een enorm functioneel potentieel als interactieve opto-elektronische interfaces, synthetische netvliezen en intelligente robots.

Het menselijk brein en de bijbehorende biomechanische en visuele sensaties zijn van cruciaal belang om somatosensorische en visuele informatie te verwerven. De hersenen bevatten een verscheidenheid aan neuronen die interactieve signalen ontvangen via verschillende modi om neuromorfe berekeningen in het multisensorische associatiegebied te implementeren. Synapsen van belangrijke verbindingspunten tussen twee aangrenzende neuronen tijdens neurale informatieoverdracht. Yu et al. werden bio-geïnspireerd door de hersenen en het zenuwstelsel om een ​​mechano-fotonische kunstmatige synaps te ontwikkelen met synergetische mechanische en optische plasticiteit. De mechanisch-fotonische kunstmatige synaps omvatte een opto-elektronische transistor en geïntegreerde TENG (tribo-elektrische nanogenerator). Tijdens de experimenten, het team gebruikte chemische dampafzetting om monolaag grafeen af ​​te zetten op de opto-elektronische transistor, die ze vervolgens stapelden op een meerlaags molybdeensulfide (MoS ₂ ) schilferen op een siliciumdioxidesubstraat. Met behulp van de experimentele opstelling, Yu et al. kon de synergetische optische en mechanische modulatie op de synaptische plasticiteit realiseren.

Testen van het apparaat en mechano-optische karakterisering.

Om de bruikbaarheid van tribo-elektrische potentiaalpoorten te testen, het team karakteriseerde de TENG-uitgangsspanning versus mechanische verplaatsing met behulp van een testcircuit, waar ze de transistor diëlektrische condensator en testsysteemcondensator parallel met TENG verbonden. Door de MoS . te optimaliseren ₂ dikte in de heterostructuur, Yu et al. verbeterde de lichtgevoeligheid en elektrische prestaties van het apparaat om het apparaat mogelijk te beïnvloeden voor toepassingen op systeemniveau. Om de mechano-opto-elektronische transistor te karakteriseren, ze maten de outputprestaties onder synergetische effecten voor TENG-verplaatsing en verlichting met groene LED bij verschillende vermogensintensiteiten. Om vervolgens de afstembare fotoresponsiviteit van de mechano-fotonische transistor van het apparaat te begrijpen, ze bestudeerden de invloed van mechanische verplaatsing op de fotostroom en lichtgevoeligheid. Een meer positieve verplaatsing kan een grotere fotostroom en een hogere fotoontvankelijkheid induceren ten opzichte van het elektrisch veldafhankelijke Fermi-niveau en elektronische toestanden in de heterostructuur. De mechanische verplaatsingsgerelateerde fotorespons verbeterde de lichtgevoeligheid van het apparaat terwijl de functie op verzoek op een gewenst niveau werd geregeld.

Kanaalgeleiding en synaptische plasticiteit op lange termijn.

Het team regelde vervolgens de kanaalgeleiding van de transistor met behulp van mechanische verplaatsing en lichte verlichting; fundamenteel voor multimodale plasticiteit in mechano-fotonische kunstmatige synapsen. Ze hielden de basale postsynaptische stroom (PSC) stabiel op verschillende niveaus onder verschillende verplaatsingstoestanden als een voorwaarde om synaptische fotoresponsen te bereiken. Het werk toonde de effecten van de tribo-elektrische potentiaal-gemoduleerde elektrische gedragingen en opto-elektrische gedragingen op de postsynaptische stroom. Ze behielden de mechanisch-fotonische kunstmatige synaps gedurende meer dan een uur zonder veranderingen om bewijs te leveren voor het implementeren van de synergetische optische en mechanische module voor synaptische plasticiteit op lange termijn. Het team schreef de verminderde postsynaptische stroom (PSC) toe aan de verzwakte dichtheid van gaten in grafeen die in de opstelling werden gebruikt, aan de andere kant schreven ze de persistente PSC's toe aan gelokaliseerde staten in MoS ₂ en het directionele tribo-elektrische veld. Bijvoorbeeld, tijdens lichte verlichting, fotogenereerde elektronen kunnen worden geïnduceerd in de MoS _2. In vergelijking met eerder werk van bio-geïnspireerde synaptische apparaten, de huidige mechanisch-fotonische kunstmatige synaps realiseerde tegelijkertijd dual-mode plasticisatie via mechanische en visuele signalen.

Yu et al. onderzocht verder de synergetische effecten van de kunstmatige synaps onder lichtpulsingangen die diverse ruimte-tijdinformatie belichamen. Vervolgens simuleerden ze een meerlaags, op perceptie gebaseerd kunstmatig neuraal netwerk (ANN) met behulp van typische synaptische kenmerken voor gesuperviseerde leerfunctie met behulp van de gewijzigde handschriftbeeldgegevensset van het National Institute of Standards and Technology (MNIST). In de AN, Yu et al. inclusief 28 x 28 input neuronen, 100 verborgen neuronen, en 10 output neuronen volledig verbonden via synaptische gewichten. Het totaal van 784 inputneuronen kwam overeen met een 28 x 28 MNIST-afbeelding en de 10 outputneuronen kwamen overeen met 10 Arabische cijfers van nul tot negen. Het team bouwde de ANN bio-geïnspireerd door het menselijke netvlies, die daarentegen miljarden zenuwcellen bevat om een ​​complex drielaags netwerk te vormen. Vervolgens lieten ze zien hoe het verbeteren van de periodiciteit, stabiliteit en herhaalbaarheid van het apparaat verbeterde de simulatie van ANN voor beeldherkenning.

Outlook

Op deze manier, Jinran Yu en collega's ontwikkelden een mechano-fotonische kunstmatige synaps met synergetische multimodale synaptische plasticiteit. Het team gebruikte tribo-elektrisch potentieel om de synaptische transistor aan te sturen en de uitwisseling van ladingsoverdracht in de heterostructuur te reguleren om postsynaptische fotostromen te vergemakkelijken, aanhoudende fotogeleiding en lichtgevoeligheid. De opstelling maakte ook langetermijngeheugen en opeenvolgende neurale facilitering mogelijk. Het team simuleerde vervolgens een kunstmatig neuraal netwerk (ANN) om de haalbaarheid van mechanische plasticisatie aan te tonen om de nauwkeurigheid van beeldherkenning te bevorderen. Het werk zal de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van multifunctionele en interactieve neuromorfe apparaten.

© 2021 Science X Network