Zusammenfassung:
Forscher der Suzhou University of Science and Technology und anderer Institutionen haben ein flexibles künstliches Synapsen-Array entwickelt, das die Veränderungen in der Stärke biologischer synaptischer Verbindungen simulieren und sich unter spezifischen chemischen Behandlungen schnell zersetzen kann. Das Gerät verwendet wasserstoffgebundene organische Gerüstmaterialien als Funktionsschicht, MXene als Elektrode und einen Polyimidfilm (PI) als flexibles Substrat. Das Forschungsteam nutzte die Lösungsverarbeitung, um ein 10×10-Array zu erstellen, das insgesamt 100 synaptische Einheiten enthielt. Relevante Forschungsergebnisse wurden im International Journal of Extreme Manufacturing veröffentlicht.
Das Kernmaterial TCPP-HOF besteht aus porphyrinbasierten organischen Molekülen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen eine geordnete zweidimensionale Struktur bilden. Wenn eine Durchlassspannung angelegt wird, werden Ladungen eingefangen und die Leitfähigkeit des Geräts erhöht; Beim Anlegen einer Sperrspannung werden Ladungen freigesetzt und der Leitwert nimmt ab. Durch diese einstellbare Änderung kann das Gerät eine synaptische Verstärkung und Hemmung aufweisen, einschließlich lernbezogener Eigenschaften wie Langzeitverstärkung und Langzeithemmung, und kann 10 verschiedene Leitfähigkeitszustände einstellen. Die elektrische Schaltzeit wurde experimentell mit 26 Nanosekunden gemessen.
Die Forscher nutzten auch die elektrischen Eigenschaften des Geräts, um die Fähigkeit des Faltungs-Neuronalen Netzwerks zu bewerten, handgeschriebene MNIST-Ziffern zu erkennen. Die Genauigkeitsrate erreichte ein Maximum von 97,23 %, der Software-Benchmark lag bei 99,24 %. Das in der Arbeit beschriebene neuronale Netzwerk enthält ungefähr 120.000 Synapsen, aber die tatsächliche physische Anordnung ist 10×10 mit insgesamt 100 Geräten; Daher zeigen diese Ergebnisse das Potenzial der Geräteeigenschaften für gehirnähnliches Computing und bedeuten nicht, dass das gesamte 120.000-Synapsen-Netzwerk in diesem kleinen Array integriert wurde.
Im Flexibilitätstest funktionierte das Array immer noch, nachdem es 200 Mal um einen Radius von etwa 5 mm gebogen wurde, und die Genauigkeit der handschriftlichen Ziffernerkennung betrug 96,33 %. Das von den Forschern entwickelte PI-Substrat kann auch in einer erhitzten Amin-Chemikalienlösung zersetzt werden und sich nach etwa 6 Minuten Behandlung in lösliche Monomere umwandeln, wobei ein kleiner inerter Rückstand zurückbleibt. Dieser Prozess erfordert spezielle chemische Lösungen und Heizbedingungen und bedeutet nicht, dass das Gerät nach Kontakt mit Wasser oder der natürlichen Umgebung von selbst verschwindet.
Das Team glaubt, dass die Merkmale Flexibilität, Lösungsverarbeitung und kontrollierbare Zersetzung in Zukunft in tragbaren Sensoren, flexiblen elektronischen Häuten, Soft-Robotern oder kurzfristigen elektronischen Geräten genutzt werden können und auch Ideen für die vorübergehende Speicherung und Informationsvernichtung liefern können. Allerdings handelt es sich bei den aktuellen Ergebnissen noch um Laborprototypen, und der Umfang des Arrays ist begrenzt. Forscher müssen noch den Einfluss von Feuchtigkeit auf die Gerätestabilität klären, das Array erweitern und die langfristige Zuverlässigkeit und Herstellungskonsistenz testen. Es handelt sich noch nicht um ein vollständiges Computersystem, das herkömmliche Prozessoren oder kommerzielle KI-Chips direkt ersetzen kann.
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