Onderzoekers identificeren sleutelmechanismen, nieuwe materialen voor biologisch geïnspireerde informatieverwerking

Elke zoekopdracht in een zoekmachine, elke door AI gegenereerde tekst en ontwikkelingen zoals autonoom rijden: in het tijdperk van kunstmatige intelligentie (AI) en big data verbruiken computers en datacenters veel energie. Het menselijk brein is daarentegen veel energiezuiniger. Om krachtigere en energiebesparende computers te ontwikkelen, geïnspireerd door de hersenen, heeft een onderzoeksteam van Materials Science and Electrical Engineering aan de Universiteit van Kiel (CAU) nu fundamentele vereisten voor geschikte hardware geïdentificeerd.

De wetenschappers hebben materialen ontwikkeld die zich dynamisch gedragen op een vergelijkbare manier als biologische zenuwstelsels. Hun resultaten zijn geweest gepubliceerd in het journaal Materialen vandaag en zou kunnen leiden tot een nieuw soort informatieverwerking in elektronische systemen.

Informatie dynamisch verwerken in plaats van serieel

“Computers verwerken informatie serieel, terwijl onze hersenen informatie parallel en dynamisch verwerken. Dit gaat veel sneller en verbruikt minder energie, bijvoorbeeld bij patroonherkenning”, zegt prof. dr. Hermann Kohlstedt, hoogleraar nano-elektronica en woordvoerder van het Collaborative Research Center 1461 Neurotronica aan de Universiteit van Kiel.

De onderzoekers willen de natuur gebruiken als inspiratiebron voor nieuwe elektronische componenten en computerarchitecturen. In tegenstelling tot conventionele computerchips, transistors en processors zijn ze ontworpen om signalen op een vergelijkbare manier te verwerken als het voortdurend veranderende netwerk van neuronen en synapsen in onze hersenen.

“Maar computers zijn nog steeds gebaseerd op siliciumtechnologie. Hoewel er indrukwekkende vooruitgang is geboekt op het gebied van hardware op het gebied van xy, blijven netwerken van neuronen en synapsen ongeëvenaard in termen van connectiviteit en robuustheid”, zegt dr. Alexander Vahl, een materiaalwetenschapper. Onderzoek naar nieuwe materialen en processen is nodig om de dynamiek van biologische informatieverwerking in kaart te kunnen brengen.

Het onderzoeksteam concentreerde zich daarom op het ontwikkelen van materialen die zich dynamisch gedragen op een vergelijkbare manier als driedimensionale biologische zenuwstelsels. ‘Dynamisch’ ontstaat hier doordat de rangschikking van atomen en deeltjes in de materialen kan veranderen. Daartoe hebben de onderzoekers zeven basisprincipes geïdentificeerd waaraan computerhardware moet voldoen om op dezelfde manier te kunnen functioneren als de hersenen.

Deze omvatten bijvoorbeeld een zekere mate van veranderlijkheid: de zogenaamde plasticiteit van de hersenen is een vereiste voor leer- of geheugenprocessen. De materialen die de onderzoekers naar aanleiding hiervan ontwikkelden, voldoen aan een aantal van deze basisprincipes. Het ‘ultieme’ materiaal dat alles vervult, bestaat echter nog niet.

Verder dan de klassieke siliciumtechnologie

“Wanneer we deze materialen met elkaar of met andere materialen combineren, openen we mogelijkheden voor computers die verder gaan dan de traditionele siliciumtechnologie”, zegt prof. dr. Rainer Adelung, hoogleraar functionele nanomaterialen. “De industrie en de samenleving hebben steeds meer rekenkracht nodig, maar strategieën zoals de miniaturisatie van elektronica bereiken nu hun technische grenzen in standaardcomputers. Met ons onderzoek willen we nieuwe horizonten openen.”

Maik-Ivo Terasa, een doctoraal onderzoeker in de materiaalkunde en een van de eerste auteurs van het onderzoek, beschrijft bijvoorbeeld het ongebruikelijke gedrag van de speciale granulaire netwerken die door het onderzoeksteam zijn ontwikkeld. “Als we zilver-gouden nanodeeltjes op een bepaalde manier produceren en een elektrisch signaal toepassen, vertonen ze bijzondere eigenschappen. Ze worden gekenmerkt door een evenwicht tussen stabiliteit en een snelle verandering in hun geleidbaarheid.” Op een vergelijkbare manier werken de hersenen het beste als er een evenwicht is tussen plasticiteit en stabiliteit, ook wel kriticiteit genoemd.

In nog drie experimenten toonden de onderzoekers aan dat zowel zinkoxide-nanodeeltjes als elektrochemisch gevormde metaalfilamenten kunnen worden gebruikt om de netwerkpaden te veranderen via de elektrische input van oscillatoren. Toen het onderzoeksteam deze circuits koppelde, synchroniseerden hun elektrische signaalafbuigingen in de loop van de tijd. Iets soortgelijks gebeurt tijdens bewuste zintuiglijke waarneming met de elektrische impulsen die informatie uitwisselen tussen neuronen.