Ученые из Университета Линчёпинга разработали новый транзистор на основе органических материалов. Он обладает способностью к обучению и оснащен как краткосрочной, так и долгосрочной памятью. Эта работа является важным шагом на пути к созданию технологии, которая имитирует человеческий мозг.

До сих пор мозги были уникальны тем, что могли создавать связи там, где их раньше не было. В научной статье в Advanced Science исследователи из Университета Линчёпинга описывают транзистор, который может создать новое соединение между входом и выходом. Они включили транзистор в электронную схему, которая учит, как связать определенный стимул с выходным сигналом, так же, как собака узнает, что звук готовящейся миски для еды означает, что обед уже в пути.

Обычный транзистор действует как клапан, который усиливает или ослабляет выходной сигнал, в зависимости от характеристик входного сигнала. В разработанном исследователями органическом электрохимическом транзисторе канал в транзисторе состоит из электрополимеризованного проводящего полимера. Канал может быть сформирован, увеличен или сжат или полностью исключен во время работы. Он также может быть обучен реагировать на определенный стимул, определенный входной сигнал, так что канал транзистора становится более проводящим, а выходной сигнал — большим.

«Впервые формирование в реальном времени новых электронных компонентов показано в нейроморфных устройствах», — говорит Симоне Фабиано, главный исследователь в области органической наноэлектроники в Лаборатории органической электроники в кампусе Норрчепинга.

Канал растет за счет увеличения степени полимеризации материала в транзисторном канале, тем самым увеличивая количество полимерных цепей, которые проводят сигнал. Альтернативно, материал может быть переокислен (путем подачи высокого напряжения), и канал становится неактивным. Временные изменения проводимости также могут быть достигнуты путем легирования или удаления легирующего вещества.

«Мы показали, что мы можем вызывать как кратковременные, так и постоянные изменения в том, как транзистор обрабатывает информацию, что очень важно, если кто-то хочет имитировать способы взаимодействия клеток мозга друг с другом», — говорит Дженнифер Герасимов, постдок из органической наноэлектроники и один из авторов статьи.

Изменяя входной сигнал, сила отклика транзистора может модулироваться в широком диапазоне, и могут создаваться соединения там, где их ранее не было. Это дает транзистору поведение, сравнимое с поведением синапса или интерфейса связи между двумя клетками мозга.

Это также важный шаг к машинному обучению с использованием органической электроники. Программные искусственные нейронные сети в настоящее время используются в машинном обучении для достижения так называемого «глубокого обучения». Программное обеспечение требует, чтобы сигналы передавались между огромным количеством узлов для имитации одного синапса, который требует значительной вычислительной мощности и, следовательно, потребляет значительную энергию.

«Мы разработали аппаратное обеспечение, которое делает то же самое, используя один электронный компонент», — говорит Дженнифер Герасимов.

«Таким образом, наш органический электрохимический транзистор может выполнять работу тысяч обычных транзисторов с потреблением энергии, которое приближается к потребляемой энергии, когда человеческий мозг передает сигналы между двумя ячейками», — подтверждает Симона Фабиано.

Транзисторный канал не был построен с использованием наиболее распространенного полимера, используемого в органической электронике, PEDOT, но вместо этого использовался полимер недавно разработанного мономера, ETE-S, произведенного Роджером Габриэльссоном, который также работает в Лаборатории органической электроники и является одним из авторов статьи. ETE-S обладает несколькими уникальными свойствами, которые делают его идеально подходящим для этого применения — он образует достаточно длинные полимерные цепи, является водорастворимым, а полимерная форма — нет, и он дает полимеры с промежуточным уровнем легирования. Полимера ПЭТФ-S , получает в виде его легированном с внутренним отрицательным зарядом , чтобы сбалансировать положительные носители заряда (то есть р-легированный).