Aistitietoa luonnon tavalla - nopeasti, tehokkaasti ja vähällä energialla

International Iberian Nanotechnology Laboratoryssä tutkijat ylittivät aivojen inspiroiman tietojenkäsittelyn rajoja ja kehittävät neuromorfisia järjestelmiä, jotka käsittelevät aistitietoa luonnon tavalla – nopeasti, tehokkaasti ja vähällä energialla.

Tutkijat kehittivät pienen mikropilarirakenteisen kvanttiresonanssitunnelointidiodin tai RTD:n, joka käyttäytyy kuin sensorinen neuroni.

Tämä "neuroni" pystyy havaitsemaan valon, käsittelemään informaatiota ja muuttamaan sen sähköisiksi signaaleiksi, kaikki yhdessä nanomittakaavassa. Tutkija Bruno Romeira selittää: " Tämä on mahdollista, koska hyödynnämme kvantti-ilmiöitä."

Tämä järjestelmä on pohjimmiltaan III–V-puolijohderakenne ja on suunniteltu reagoimaan suoraan tulevaan lähi-infrapunavaloon.

Kun valon intensiteetti saavuttaa tietyn kynnyksen, laite siirtyy negatiiviseksi differentiaaliresistanssiksi kutsuttuun tilaan, mikä laukaisee suuriamplitudisia jännitevärähtelyjä. Toisin sanoen tuleva valosignaali muunnetaan rytmisiksi sähköpurskeiksi, aivan kuten biologisissa neuroneissa havaitut laukaisukuviot.

Perinteinen neuromorfinen laitteisto luottaa usein monimutkaisiin piireihin, jotka yhdistävät erilliset muistikomponentit ja oskillaattorit jäljittelemään tapaa, jolla biologiset neuronit käsittelevät informaatiota. Tämä lisää järjestelmän kokoa, virrankulutusta ja monimutkaisuutta. Bejoys Jacobin ja hänen kollegoidensa kehittämä uusi piirirakenne yhdistää nämä ominaisuudet yhdeksi integroiduksi komponentiksi.

Tämä kyky koodata optista informaatiota sähköisiksi värähtelyiksi tekee rakenteesta paljon enemmän kuin yksinkertaisen valoanturin. Se käyttäytyy kuin sensorinen neuroni, joka ei ainoastaan pysty havaitsemaan valoa vaan myös vahvistamaan signaalia ja esikäsittelemään sitä – tämä on ratkaiseva askel kohti sensorin sisäisiä älykkäitä paikallisjärjestelmiä, jotka käsittelevät tietoja suoraan sieltä, missä ne kerätään, ilman suuria ulkoisia prosessoreita.

Vielä jännittävämpää on se, että rakenteen käyttäytyminen jäljittelee elävissä organismeissa esiintyviä prosesseja. Hyönteiset, kuten sudenkorennot, luottavat rytmisiin hermosolujen toiminnan purskeisiin liikkuvan saaliin seuraamiseksi. Nisäkkäillä värähtelypurskeet ovat välttämättömiä aistitietojen käsittelyssä ja monimutkaisten aivojen toimintojen koordinoinnissa.

Toistamalla näitä luonnollisia laukaisukuvioita laitteistoissa INL:n tutkijat avaavat oven biovaikutteisille miniatyrisoiduille ja energiatehokkaille keinotekoisille näköjärjestelmille.

Kompaktin rakenteensa ja olemassa olevien III–V-puolijohdealustojen kanssa yhteensopivuuden ansiosta tämä neuromorfinen fotonihermosolu sopii hyvin integroitavaksi tuleviin optisiin sensoreihin ja järjestelmiin.

Olipa kyseessä autonomiset ajoneuvot, seuraavan sukupolven LiDAR tai ultranopea visuaalinen prosessointi robotiikassa, tämä euroopparahoitteisen InsectNeuroNano -projektin ja FCT-rahoitteisen META-LED- projektin puitteissa kehitetty tutkimus tuo meidät lähemmäksi laitteistoa, joka paitsi aistii maailmaa, myös tulkitsee sitä, aivan kuten luonnolliset järjestelmät tekevät.

Aiheesta aiemmin:

XOR valolla ja yksittäisen transistorin neuronissa

Tekoälyä monisensorisella integroidulla neuronilla

Piin ja neuronin fuusio