Ученые ННГУ создали нейроморфную систему на мемристорах
Сотрудники лаборатории стохастических мультистабильных систем нижегородского Университета Лобачевского (ННГУ) разработали электронную систему, которая частично воспроизводит принципы взаимодействия нейронов в биологических нервных сетях. Разработка может применяться в робототехнике и биомедицинских технологиях при создании нейропротезов и систем нейрореабилитации, сообщили в пресс-службе вуза.
Система представляет собой два искусственных нейрона, соединенных мемристором. Первый нейрон генерирует электрические импульсы и передает их второму, а мемристор выполняет роль искусственного синапса. При определенных условиях второй нейрон начинает подстраивать ритм своей работы под первый, что приводит к синхронизации.
В ходе экспериментов ученые получили несколько режимов такой синхронизации. Как рассказал научный сотрудник лаборатории мемристорной наноэлектроники НОЦ «Физика твердотельных наноструктур» Университета Лобачевского Иван Кипелкин, искусственные нейроны начинали работать в одном ритме или с разным соотношением частот.
Также удалось показать, как изменение сопротивления мемристора влияет на взаимодействие нейронов. В результате были экспериментально получены несколько режимов синхронизации, что подтвердило возможность использования мемристоров в качестве адаптивных искусственных синапсов.
По словам руководителя исследования, кандидата физико-математических наук Ивана Кипелкина, разработка может применяться для создания энергоэффективных нейроморфных систем. Такие устройства обрабатывают сигналы за счет взаимодействия искусственных нейронов и изменения связей между ними. В перспективе системы могут использоваться для обработки сигналов от датчиков, распознавания изменяющихся во времени сигналов и образов, а также в робототехнике и системах автоматического управления.
Отдельное направление связано с биомедицинскими технологиями. Принципы синхронизации искусственных нейронов могут быть полезны при анализе биологических сигналов, например электрической активности нервной системы. В дальнейшем такие подходы могут представлять интерес для нейроинтерфейсов, нейропротезов и систем нейрореабилитации.
Директор НОЦ «Физика твердотельных наноструктур» Университета Лобачевского Алексей Михайлов отметил, что разработка отличается комплексным подходом: мемристивное устройство физически изготовлено и экспериментально исследовано, его параметры перенесены в математическую модель, а предсказанные динамические режимы проверены на реальной электронной системе.
Работа выполнялась по нескольким научным направлениям Университета Лобачевского, объединенным программой стратегического академического лидерства «Приоритет-2030». Экспериментальная часть и аппаратная реализация системы выполнены учеными ННГУ по научной программе Национального центра физики и математики по направлению «Искусственный интеллект и большие данные в технических, промышленных, природных и социальных системах». Компьютерное моделирование поддержано Российским научным фондом.
Ректор Университета Лобачевского Олег Трофимов отметил, что такие разработки станут основой для создания нового поколения энергоэффективных нейроморфных устройств, востребованных в робототехнике, биомедицине и системах искусственного интеллекта.