Ontdekking onthult dat ‘brain-like computing’ op moleculair niveau mogelijk is

Mechanisme van PCET. Credit: Natuur materialen (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01402-2

Een ontdekking aan de Universiteit van Limerick in Ierland heeft voor het eerst onthuld dat onconventioneel hersenachtig computergebruik op de kleinste schaal van atomen en moleculen mogelijk is.

Onderzoekers van het Bernal Institute van de Universiteit van Limerick werkten samen met een internationaal team van wetenschappers om een ​​nieuw type organisch materiaal te creëren dat leert van zijn gedrag in het verleden.

De ontdekking van de “dynamische moleculaire schakelaar” die synaptisch gedrag nabootst, wordt onthuld in een nieuwe studie in het tijdschrift Natuur materialen.

De studie werd geleid door Damien Thompson, hoogleraar moleculaire modellering aan de afdeling fysica van de UL en directeur van SSPC, het door de UL gehoste Science Foundation Ireland Research Centre for Pharmaceuticals, samen met Christian Nijhuis van het Centre for Molecules and Brain-Inspired Nano Systems in Universiteit Twente en Enrique del Barco van University of Central Florida.

Het team werkte tijdens lockdowns en ontwikkelde een twee nanometer dikke laag moleculen, die 50.000 keer dunner is dan een haarlok en zich zijn geschiedenis herinnert wanneer er elektronen doorheen gaan.

Professor Thompson legde uit dat de “schakelkans en de waarden van de aan/uit-toestanden voortdurend veranderen in het moleculaire materiaal, wat een ontwrichtend nieuw alternatief biedt voor conventionele op silicium gebaseerde digitale schakelaars die alleen maar aan of uit kunnen zijn.”

De nieuw ontdekte dynamische organische schakelaar geeft alle wiskundige logische functies weer die nodig zijn voor diep leren, en emuleert met succes Pavloviaans “oproep en antwoord” synaptisch hersenachtig gedrag.

De onderzoekers demonstreerden de nieuwe materiaaleigenschappen met behulp van uitgebreide experimentele karakterisering en elektrische metingen, ondersteund door modellering op meerdere schalen, variërend van voorspellende modellering van de moleculaire structuren op kwantumniveau tot analytische wiskundige modellering van de elektrische gegevens.

Om het dynamische gedrag van synapsen op moleculair niveau na te bootsen, combineerden de onderzoekers snelle elektronenoverdracht (vergelijkbaar met actiepotentialen en snelle depolarisatieprocessen in de biologie) met langzame protonkoppeling beperkt door diffusie (vergelijkbaar met de rol van biologische calciumionen of neurotransmitters).

Omdat de stappen voor elektronenoverdracht en protonenkoppeling in het materiaal op zeer verschillende tijdschalen plaatsvinden, kan de transformatie het plastische gedrag van synaps-neuronale juncties, Pavloviaans leren en alle logische poorten voor digitale circuits nabootsen, simpelweg door de aangelegde spanning en de duur te veranderen. van spanningspulsen tijdens de synthese, legden ze uit.

“Dit was een geweldig lockdown-project, waarbij Chris, Enrique en ik elkaar door zoomvergaderingen en gigantische e-mailthreads duwden om onze teams gecombineerde vaardigheden op het gebied van materiaalmodellering, synthese en karakterisering tot het punt te brengen waarop we deze nieuwe hersenachtige computers konden demonstreren. eigenschappen’, legt professor Thompson uit.

“De gemeenschap weet al lang dat siliciumtechnologie totaal anders werkt dan hoe onze hersenen werken en daarom hebben we nieuwe soorten elektronische materialen gebruikt op basis van zachte moleculen om hersenachtige computernetwerken na te bootsen.”

De onderzoekers legden uit dat de methode in de toekomst kan worden toegepast op dynamische moleculaire systemen die worden aangedreven door andere stimuli zoals licht en gekoppeld aan verschillende soorten dynamische covalente bindingsvorming.

Deze doorbraak opent een hele nieuwe reeks aanpasbare en herconfigureerbare systemen, waardoor nieuwe kansen worden gecreëerd in duurzame en groene chemie, van efficiëntere flowchemieproductie van geneesmiddelen en andere chemicaliën met toegevoegde waarde tot ontwikkeling van nieuwe organische materialen voor high-density computing en geheugen opslag in grote datacenters.

“Dit is nog maar het begin. We zijn al bezig met het uitbreiden van deze volgende generatie intelligente moleculaire materialen, die de ontwikkeling van duurzame alternatieve technologieën mogelijk maken om grote uitdagingen op het gebied van energie, milieu en gezondheid aan te pakken”, legt professor Thompson uit.