Một mô hình điện toán mới được gọi là điện toán mô phỏng thần kinh bắt chước các chức năng khớp thần kinh thiết yếu của tế bào thần kinh để mô phỏng hành vi của não. Dẻo thần kinh, kết nối với học tập và trí nhớ, là một trong những chức năng này. Tính dẻo này cho phép các tế bào thần kinh lưu trữ thông tin hoặc quên nó tùy thuộc vào độ dài và tần số của các xung điện kích hoạt chúng.
Vật liệu nhớ điện trở, sắt điện, vật liệu bộ nhớ thay đổi pha, chất cách điện tôpô và gần đây hơn là vật liệu ion từ nổi bật trong số các vật liệu tương tự khớp thần kinh. Trong trường hợp thứ hai, áp dụng một điện trường làm cho các ion bị dịch chuyển bên trong vật liệu, làm thay đổi các đặc tính từ tính của chất đó.
Mặc dù sự điều biến của từ tính trong các vật liệu này khi áp dụng điện trường đã được hiểu rõ, nhưng rất khó để kiểm soát sự phát triển của các đặc tính từ tính khi điện áp ngừng hoạt động (nghĩa là sự phát triển sau khi kích thích). Điều này gây khó khăn cho việc tái tạo một số quá trình lấy cảm hứng từ não bộ, chẳng hạn như duy trì việc học hiệu quả ngay cả khi não ở trạng thái ngủ sâu (tức là không có kích thích bên ngoài).
Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học từ UAB Khoa Vật lý Jordi Sort và Enric Menéndez, phối hợp với ALBA Synchrotron, Viện Khoa học Nano và Công nghệ Nano Catalan (ICN2), và ICMAB, đã đề xuất một phương pháp mới để kiểm soát sự phát triển của từ hóa cả trong kích thích và sau các trạng thái kích thích.
Họ đã phát triển một loại vật liệu từ tính có khả năng bắt chước cách bộ não lưu trữ thông tin. Nhờ vật liệu này, lần đầu tiên có thể bắt chước các khớp thần kinh của tế bào thần kinh và bắt chước học tập xảy ra trong giấc ngủ sâu.
Các nhà khoa học đã phát triển vật liệu này dựa trên một lớp coban mononitride (CoN) mỏng, trong đó, bằng cách áp dụng một điện trường, có thể kiểm soát được sự tích tụ của các ion N ở mặt phân cách giữa lớp và chất điện phân lỏng chứa lớp này.
Giáo sư nghiên cứu của ICREA Jordi Sort và Serra Húnter Giáo sư theo dõi nhiệm kỳ Enric Menéndez cho biết, “Vật liệu mới hoạt động với sự chuyển động của các ion được điều khiển bởi điện áp, theo cách tương tự như vật liệu của chúng tôi. não, và ở tốc độ tương tự như tốc độ được tạo ra trong tế bào thần kinh, cỡ mili giây. Chúng tôi đã phát triển một khớp thần kinh nhân tạo mà trong tương lai có thể là cơ sở của một mô hình điện toán mới, thay thế cho mô hình được sử dụng bởi các máy tính hiện tại.”
Bằng cách áp dụng các xung điện áp, có thể mô phỏng một cách có kiểm soát các quá trình như bộ nhớ, xử lý thông tin, truy xuất thông tin và lần đầu tiên cập nhật thông tin có kiểm soát mà không cần áp dụng điện áp.
Độ dày của lớp coban mononitride, kiểm soát tốc độ di chuyển của các ion và tần số xung đã được thay đổi để thực hiện kiểm soát này.
Sự sắp xếp của vật liệu cho phép kiểm soát các đặc tính từ tính không chỉ khi đặt điện áp vào mà còn cả khi loại bỏ điện áp lần đầu tiên. Khi kích thích điện áp bên ngoài biến mất, độ từ hóa của hệ thống có thể giảm hoặc tăng, tùy thuộc vào độ dày của vật liệu và giao thức về cách đặt điện áp trước đó.
Một loạt các chức năng điện toán thần kinh mới hiện có thể thực hiện được nhờ kết quả mới lạ này. Ví dụ, nó cung cấp một chức năng logic mới giúp mô phỏng quá trình học tập của tế bào thần kinh sau khi kích thích não bộ trong khi chúng ta ngủ sâu. Các loại vật liệu thần kinh khác hiện có trên thị trường không thể tái tạo những khả năng này.
Jordi Sort và Enric Menendez nói, “Khi độ dày của lớp coban mononitride dưới 50 nanomet và với điện áp được đặt ở tần số lớn hơn 100 chu kỳ mỗi giây, chúng tôi đã có thể mô phỏng một chức năng logic bổ sung: một khi điện áp được đặt vào, thiết bị có thể được lập trình để học hoặc quên mà không cần thêm bất kỳ nguồn năng lượng nào, bắt chước các chức năng khớp thần kinh diễn ra trong não khi ngủ sâu, khi quá trình xử lý thông tin có thể tiếp tục mà không cần áp dụng bất kỳ tín hiệu bên ngoài nào.”
Tạp chí tham khảo:
- Zhengwei Tan, Julius de Rojas, Sofia Martins, Aitor Lopeandia, Alberto Quintana, Matteo Cialone, Javier Herrero-Martín, Johan Meersschaut, André Vantomme, José L. Costa-Krämer, Jordi Sort, Enric Menéndez. Kiểm soát điện áp được kích thích và sau kích thích phụ thuộc vào tần số của từ tính trong các nitrua kim loại chuyển tiếp: hướng tới các ion từ lấy cảm hứng từ não. Vật liệu chân trời, Năm 2022. DOI: 10.1039/D2MH01087A
