Forscher entwickeln fluidischen Memristor mit vielfältigen neuromorphen Funktionen

Neuromorphe Geräte haben aufgrund ihrer potenziellen Anwendungen in den Bereichen neuromorphes Computing, Intelligenzerfassung, Gehirn-Maschine-Schnittstellen und Neuroprothetik zunehmende Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die meisten der realisierten neuromorphen Funktionen basieren jedoch auf der Nachahmung elektrischer Impulse mit Festkörpergeräten. Die Nachahmung der Funktionen chemischer Synapsen, insbesondere neurotransmitterbezogener Funktionen, ist noch immer eine Herausforderung in diesem Forschungsgebiet.

In einer Studie veröffentlicht in Wissenschaftentwickelte die von Prof. Yu Ping und Mao Lanqun vom Institut für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften geleitete Forschungsgruppe einen Polyelektrolyt-begrenzten fluidischen Memristor (PFM), der einen vielfältigen elektrischen Impuls mit ultraniedrigem Energieverbrauch emulieren konnte. Darüber hinaus könnten unter Ausnutzung der fluidischen Natur von PFM auch chemisch regulierte elektrische Pulse und chemisch-elektrische Signalübertragung emuliert werden.

Die Forscher stellten zunächst den polyelektrolytbegrenzten Fluidkanal durch oberflächeninitiierte Atomtransferpolymerisation her. Durch systematische Untersuchung der Strom-Spannungs-Beziehung fanden sie heraus, dass der hergestellte Fluidkanal als Memristor, definiert als PFM, identifiziert werden konnte. Der Ursprung des Ionenspeichers lag in der relativ langsamen Diffusionsdynamik von Anionen in und aus den Polyelektrolytbürsten.

Das PFM könnte Kurzzeit-Plastizitätsmuster (STP) emulieren, einschließlich Paired-Pulse-Facilitation und Paired-Pulse-Depression. Diese Funktionen können bei einer Spannung und einem Energieverbrauch betrieben werden, die so niedrig sind wie diese biologischen Systeme, was auf eine potenzielle Anwendung in der bioinspirierten sensomotorischen Implementierung, der intelligenten Sensorik und der Neuroprothetik hindeutet.

Das PFM könnte auch die chemisch regulierten elektrischen STP-Impulse emulieren. Basierend auf der Wechselwirkung zwischen Polyelektrolyt und Gegenionen konnte die Retentionszeit in verschiedenen Elektrolyten reguliert werden. Noch wichtiger ist, dass das PFM in einem physiologischen Elektrolyten (dh phosphatgepufferte Salzlösung, pH 7,4) die Regulation des Gedächtnisses durch Adenosintriphosphat (ATP) emulieren könnte, was die Möglichkeit demonstriert, die synaptische Plastizität durch Neurotransmitter zu regulieren.

Basierend auf der Wechselwirkung zwischen Polyelektrolyten und Gegenionen wurde die chemisch-elektrische Signaltransduktion mit dem PFM erreicht, was ein wichtiger Schritt zur Herstellung künstlicher chemischer Synapsen ist.

Mit der strukturellen Emulation von Ionenkanälen bietet PFM Vielseitigkeit und lässt sich leicht mit biologischen Systemen verbinden, was durch die Einführung reichhaltiger chemischer Designs einen Weg zum Bau neuromorpher Geräte mit erweiterten Funktionen ebnet. Diese Studie bietet einen neuen Weg, um Chemie mit neuromorphen Geräten zu verbinden.