Ученые создали механический аналог нейрона из металла и полимера
Исследователи создали наномеханическое устройство, которое повторяет одну из главных особенностей нейрона: постепенно накапливает входной сигнал, достигает порога и выдаёт резкий электрический импульс. В основе искусственного нейрона лежит не сложная электронная схема, а движение чрезвычайно тонкого слоя мягкого полимера, который одновременно участвует в обработке информации и хранит кратковременную память о предыдущих воздействиях.
Разработка относится к нейроморфным вычислениям, где электронные устройства пытаются воспроизвести отдельные принципы работы нервной системы. Авторы пошли дальше привычных схем с транзисторами и использовали физические свойства самого материала. Такой подход позволяет объединить память и вычисления в одном миниатюрном элементе, вместо того чтобы постоянно передавать данные между отдельными блоками.
Устройство состоит из двух металлических электродов, между которыми находится слой полидиметилсилоксана толщиной всего 2 нм. При подаче напряжения электроды притягиваются друг к другу и сжимают полимер. Даже крошечное изменение расстояния между поверхностями сильно меняет электрический ток, проходящий через структуру благодаря квантовому туннелированию.
Ключевую роль играет вязкоупругость полидиметилсилоксана. После сжатия материал не возвращается в исходное состояние мгновенно, поэтому его текущее положение зависит от предыдущих воздействий. Фактически полимер некоторое время «помнит», какие напряжения прикладывались к устройству, а накопленная механическая деформация влияет на последующий электрический отклик.
Похожий принцип работает в нервных клетках. Биологический нейрон принимает множество входных сигналов и постепенно приближается к порогу, после которого возникает электрический импульс. В наномеханическом элементе последовательные воздействия всё сильнее сжимают полимер, пока система не переходит порог и не формирует резкий ответ. Затем материал постепенно восстанавливает первоначальную форму, и цикл может начаться снова.
Мягкий слой решает ещё одну проблему наномеханики. На очень малых расстояниях металлические поверхности могут настолько сильно притягиваться друг к другу, что слипнутся и уже не разойдутся. Полимер работает как крошечная пружина, удерживает электроды и позволяет многократно менять их положение без необратимого схлопывания структуры.
Авторы рассчитывают, что такой принцип позволит создавать компактные системы, где один элемент совмещает обработку сигнала и память без дополнительных конденсаторов и сложной управляющей схемы. По расчётам исследователей, потенциальная энергоэффективность подобных элементов может превзойти биологические системы при значительно меньшей активной площади. Пока речь идёт именно о расчётной перспективе: полноценный процессор с доказанным преимуществом над современными микросхемами в работе не представлен.
В дальнейшем разработчики хотят добавить к той же структуре функции датчика. Тогда материал сможет не только воспринимать физический сигнал, но и сразу обрабатывать его и учитывать недавнюю историю воздействий. Среди возможных применений авторы называют протезы с быстрой обработкой тактильных данных, маломощные носимые медицинские датчики и автономную электронику, которой приходится принимать решения непосредственно рядом с источником данных.
Главное отличие подхода заключается в переносе части вычислений из обычной электронной схемы в физику материала. Вместо имитации нейрона большим набором электронных компонентов нужное поведение возникает благодаря тому, как нанометровый слой полимера сжимается, восстанавливается и меняет проводимость. Исследователям ещё предстоит показать, насколько хорошо такие элементы масштабируются, долго ли сохраняют характеристики при многократной работе и можно ли объединить большое количество механических нейронов в практически полезную вычислительную систему.