Nieuwe superbouwsteen voor kunstmatig brein

De rekenkracht van computers wordt steeds groter, maar in vergelijking met de menselijke hersenen werken ze nog erg onhandig en onzuinig. Wetenschappers hebben nu een nieuw bouwsteentje voor een kunstmatig brein ontwikkeld, dat op dezelfde manier werkt als een synaps in de hersenen, en uiteindelijk zelfs nog energiezuiniger kan worden. De resultaten van dit onderzoek van Stanford University en de Rijksuniversiteit Groningen zijn gepubliceerd in Nature Materials. Eerste auteurs zijn Yoeri van de Burgt, inmiddels werkzaam bij de Technische Universiteit Eindhoven, en RUG-masterstudent en Ewout Lubberman, die hun onderzoek samen deden aan Stanford University.

Het basiselement van de huidige micro-elektronica, de transistor, heeft een aantal nadelen. Hij kent maar twee standen (0 of 1), waardoor er heel veel van nodig zijn om data op te slaan of te bewerken. Verder moet er continu stroom op staan, anders gaat de data verloren. En het bewerken en opslaan van data gebeurt op aparte plaatsen, waardoor de data veel op en neer beweegt, wat tijd en energie kost.

Objecten herkennen

In de menselijke hersenen werkt het heel anders. Het kleinste element is de synaps, waarmee de hersenen informatie opslaan. Die synaps kan heel veel verschillende standen hebben, er hoeft niet continu energie naartoe. De menselijke hersenen kunnen daardoor heel energie-efficiënt veel informatie tegelijkertijd verwerken. Iets wat ons in staat stelt om bijvoorbeeld snel te leren en snel mensen of objecten te herkennen.

Informatie vasthouden

De wetenschap probeert al vele jaren om dit te imiteren, maar de gevonden oplossingen tot nu toe hebben allemaal haken en ogen. De onderzoekers hebben nu een geheel nieuw soort basisbouwsteentje voor een kunstmatig brein ontwikkeld, dat geen van die nadelen heeft. Deze ‘kunstmatige synaps’ bestaat uit drie lagen en lijkt een beetje op een batterij. De onderste en bovenste laag zijn dan de twee polen en ertussen zit een elektrolyt. Van de onderste pool kan de elektrische weerstand telkens worden aangepast. Die weerstand kan meer dan vijfhonderd waardes aannemen en dat gegeven kan worden gebruikt voor dataopslag. Het veranderen van de weerstand gebeurt door stroom te zetten op de bovenste pool. Door een elektrochemisch proces via het elektrolyt verandert de samenstelling van de onderste pool een beetje, en daarmee verandert ook de weerstand. Verdwijnt de stroom, dan blijft de samenstelling en dus de weerstand onveranderd. Daardoor is geen stroom nodig om informatie vast te houden.

Energiezuiniger

Er bleek maar 10 picojoule stroom nodig om de kunstmatige synaps naar een andere stand te brengen. Dat is al energiezuiniger dan state-of-the-art micro-elektronica, die daar circa 100 picojoule voor nodig heeft. Dat bereikten ze met een elementje dat 0,001 vierkante millimeter groot is. Doordat de onderzoekers aantoonden dat het stroomverbruik lineair afneemt met de grootte, konden ze berekenen dat een exemplaar kleiner dan 0,1 vierkante micrometer, wat technisch haalbaar is, zelfs energiezuiniger kan worden dan de menselijke synaps.

Verbinding met hersenen

Ook bijzonder is dat de kunstmatige synaps van goedkope polymeren is gemaakt, terwijl transistoren gemaakt zijn van het harde materiaal silicium, dat veel duurder is qua verwerking. Daardoor is het nieuwe element flexibel, wat het toepassingsgebied vergroot. Verder zijn polymeren organische materialen en daarmee in principe compatibel met echte hersenen. Daarmee bestaat de mogelijkheid dat de kunstmatige synapsen ooit gebruikt kunnen worden voor dataverbindingen met de hersenen.

Meer informatie

Yoeri van de Burgt is inmiddels aan de Technische Universiteit Eindhoven werkzaam. Ewout Lubberman heeft na zijn onderzoek namens Ingenieurs Zonder Grenzen in Madagascar aan een zonnepaneleninstallatie gewerkt en loopt nu stage bij een investeringsmaatschappij in Amsterdam.

‘A non-volatile organic electrochemical device as a low-voltage artificial synapse for neuromorphic computing’, Nature Materials, DOI 10.1038/nmat4856