Ученые БФУ им. И. Канта представили прототип автономного нейроморфного устройства

Исследователи Центра прикладной нелинейной динамики БФУ им. И. Канта разработали химический чип, запоминающий и распознающий ритмические сигналы. Чип представляет собой возбудимую реакционно-диффузионную среду реакции Белоусова-Жаботинского (БЖ) на основе специального полимера с вшитым катализатором. Схема чипа в чем-то схожа с электронной микросхемой на полупроводниках, но вместо электрического тока по его дорожкам бегут химические волны. Такая передача сигналов по химическим волноводам напоминает распространение потенциала действия в аксонах живых нейронов.

В разработке исследователи используют технологию фотопечати (патент №2790172). На предметное стекло наносится тонкий слой прегеля, который затем в течение нескольких минут экспонируется через специальную маску. После, незаполимеризованные остатки прегеля удаляются, и на поверхности стекла остается полимерная «интегральная схема». Этот процесс похож на фотолитографию, используемую в производстве кремниевых микросхем.

Ученые БФУ им. И. Канта утверждают, что по мере усложнения нейроморфные химические чипы смогут выполнять некоторые вычислительные задачи, сохраняя при этом энергоэффективность и компактность. По словам исследователей, данная инновация открывает перспективы для создания мягких полимерных роботов, способных самостоятельно перемещаться, манипулировать окружением и, возможно, даже обучаться в процессе.

Работа над проектом идет уже более пяти лет. В 2020 году научная группа тогда еще Центра нелинейной химии БФУ им. И. Канта разработала и протестировала первую экспериментальную модель нейроморфного устройства — опто-химического «нейрокомпьютера» с адаптивным поведением. Исследователи называют это устройство «химической моделью мозга». Оно представляет собой сеть крошечных химических осцилляторов, которые имитируют работу биологических нейронов. Недостатком прошлой разработки была система передачи сигналов: для этого использовалась громоздкая установка под управлением компьютера, освещающая микрореакторы с фоточувствительной реакцией БЖ по определенному алгоритму. В таком исполнении устройство зависело от двух источников энергии — химической и электрической, — а его минимальный размер определялся размером управляющей оптической системы.

Иван Проскуркин, старший научный сотрудник Центра прикладной нелинейной динамики БФУ им. И. Канта:
Мы поставили перед собой амбициозную задачу ― отказаться от электрической энергии и сделать наше химическое устройство полностью автономным. Необходимо было придумать: как заменить оптические импульсы на химические; как задавать нужную временную задержку для этих импульсов; как сделать так, чтобы эти импульсы распространялись только в одном направлении; как настраивать уровень возбудимости наших «химических нейронов»; из какого материала и какими методами все это можно изготовить.

Иван Проскуркин, старший научный сотрудник Центра прикладной нелинейной динамики БФУ им. И. Канта:

Мы поставили перед собой амбициозную задачу ― отказаться от электрической энергии и сделать наше химическое устройство полностью автономным. Необходимо было придумать: как заменить оптические импульсы на химические; как задавать нужную временную задержку для этих импульсов; как сделать так, чтобы эти импульсы распространялись только в одном направлении; как настраивать уровень возбудимости наших «химических нейронов»; из какого материала и какими методами все это можно изготовить.

Чтобы добиться однонаправленного распространения сигнала по химическому волноводу, исследователями был спроектирован специальный элемент — химический диод. На видео представлена одна из его возможных реализаций. Химические волны, возбуждаемые в геле с помощью прикосновения серебряной проволоки, распространяются через асимметричные соединения только в одном направлении. Исследователи отмечают, что предложенный дизайн химического диода отличается от других подобных решений тем, что примыкающие части асимметричного соединения содержат разные катализаторы реакции БЖ и, как следствие, имеют разные пороги возбудимости. Результаты тестовых экспериментов и компьютерного моделирования позволяют утверждать, что такой подход существенно увеличивает надёжность работы и срок службы диода.

Анастасия Лаврова, директор Центра прикладной нелинейной динамики БФУ им. И. Канта:
Идея создания автономного химического компьютера принадлежит основателю нашего Центра Владимиру Карловичу Ванагу. Мы продолжаем развивать его идеи. Создание автономной химической схемы ― очень важный этап на этом пути. Интеграция нейроморфных принципов, биофизических данных и химических вычислений прокладывает путь к развитию инновационных вычислительных систем, способных решать задачи, недоступные традиционным компьютерам. Как это часто бывает в науке, результаты работы над одной задачей могут быть полезны в решении задач смежных областей науки. Разработанная нами технология фотопечати реакционно-диффузионной среды может быть применена при исследовании оптимизации транспорта веществ в микросистемах и оптимизации трафика транспорта в макросистемах (карта города, например). Созрела также идея производства химических наборов для лабораторного практикума по исследованию автоколебательных реакций для учебных заведений (такое предложение уже поступило от Первого медицинского университета им. И.П. Павлова).

Анастасия Лаврова, директор Центра прикладной нелинейной динамики БФУ им. И. Канта:

Идея создания автономного химического компьютера принадлежит основателю нашего Центра Владимиру Карловичу Ванагу. Мы продолжаем развивать его идеи. Создание автономной химической схемы ― очень важный этап на этом пути. Интеграция нейроморфных принципов, биофизических данных и химических вычислений прокладывает путь к развитию инновационных вычислительных систем, способных решать задачи, недоступные традиционным компьютерам. Как это часто бывает в науке, результаты работы над одной задачей могут быть полезны в решении задач смежных областей науки. Разработанная нами технология фотопечати реакционно-диффузионной среды может быть применена при исследовании оптимизации транспорта веществ в микросистемах и оптимизации трафика транспорта в макросистемах (карта города, например). Созрела также идея производства химических наборов для лабораторного практикума по исследованию автоколебательных реакций для учебных заведений (такое предложение уже поступило от Первого медицинского университета им. И.П. Павлова).

Без названия.png

Ближайшие планы сотрудников Центра прикладной нелинейной динамики включают использование подобных химических чипов в связке с умными материалами собственного производства, такими, как хемомеханические гели, что станет важным шагом на пути к созданию мягких полимерных роботов, приводимым в действие энергией одной лишь химической реакции.

Исследование получило финансовую поддержку из средств программы «Приоритет 2030».

Описание видео
Исследователями БФУ им. И. Канта был создан прототип химического чипа, представляющий собой упрощённую версию нейроморфного устройства, имитирующего работу сети нейронов. Он состоит из двух основных блоков — Антенны и Ридера, которые выполняют задачи обработки и распознавания сигналов. Как это работает: Блок Антенна действует как «память». Он представляет собой кольцо из полимера, который находится в возбудимом состоянии. Когда на кольцо поступает внешний сигнал, он превращается в химическую волну, которая начинает бесконечно бегать по кругу. Таким образом блок его «запоминает». Это позволяет системе «запомнить» воздействие, поскольку волна остаётся внутри кольца. Блок Ридер отвечает за «распознавание» сохраненной в Антенне информации. Он снимает сигнал с диаметрально расположенных точек кольца, как если бы там находились два возбудимых нейрона, связанные по кругу возбуждающими связями. Ридер состоит из двух триодных элементов: Триггер срабатывает только тогда, когда на оба его входа одновременно поступают две химические волны. Затвор на некоторое время блокирует распространение волны от сигнального входа, если на его управляющий вход волна пришла чуть раньше. Эти блоки взаимодействуют через химические волны благодаря специальным задержкам, которые задаются длиной дорожек геля. Например, Ридер может определить, какое количество волн находится в кольце Антенны — четное или нечетное. На практике это выглядит так: если в кольце Антенны бегают одна, две или четыре волны, Ридер считывает их, распознавая режим работы устройства. Всё это демонстрирует, как химический чип может выполнять базовые задачи хранения и обработки данных, аналогично нейронным сетям мозга.

Описание видео

Исследователями БФУ им. И. Канта был создан прототип химического чипа, представляющий собой упрощённую версию нейроморфного устройства, имитирующего работу сети нейронов. Он состоит из двух основных блоков — Антенны и Ридера, которые выполняют задачи обработки и распознавания сигналов.

Как это работает:

Блок Антенна действует как «память». Он представляет собой кольцо из полимера, который находится в возбудимом состоянии. Когда на кольцо поступает внешний сигнал, он превращается в химическую волну, которая начинает бесконечно бегать по кругу. Таким образом блок его «запоминает». Это позволяет системе «запомнить» воздействие, поскольку волна остаётся внутри кольца.
Блок Ридер отвечает за «распознавание» сохраненной в Антенне информации. Он снимает сигнал с диаметрально расположенных точек кольца, как если бы там находились два возбудимых нейрона, связанные по кругу возбуждающими связями. Ридер состоит из двух триодных элементов:
Триггер срабатывает только тогда, когда на оба его входа одновременно поступают две химические волны.
Затвор на некоторое время блокирует распространение волны от сигнального входа, если на его управляющий вход волна пришла чуть раньше.

Эти блоки взаимодействуют через химические волны благодаря специальным задержкам, которые задаются длиной дорожек геля. Например, Ридер может определить, какое количество волн находится в кольце Антенны — четное или нечетное.

На практике это выглядит так: если в кольце Антенны бегают одна, две или четыре волны, Ридер считывает их, распознавая режим работы устройства. Всё это демонстрирует, как химический чип может выполнять базовые задачи хранения и обработки данных, аналогично нейронным сетям мозга.