神经网络大发现:一种模仿大脑遗忘机制的新型智能材料

来源:

美国能源部/阿贡国家实验室

概要:

受到人类健忘的启发 - 我们的大脑是如何放弃不必要的数据来为新信息腾出空间 - 科学家们最近进行了一项研究,将一种可以实现逐渐遗忘的物质的超级计算机模拟图和它的X射线表结合在一起。这可能有一天会被用于先进的生物启发计算。

图片来源:阿贡国家实验室

当科学家最初从钙钛矿晶格中添加或去除一个质子时,其原子结构会迅速膨胀或收缩,从而来适应一种被称为“晶格呼吸”的过程。但是当这种变化反复发生的时候,这种活动就会减弱,就像人类的健忘。

即使现代计算机的能力呈指数级增长,生物系统 - 如我们的大脑 - 仍然是最杰出的学习机器。通过寻找与生物学用来保存和处理信息的机制类似的材料,科学家们希望能找到帮助我们构建智能电脑的线索。

受到人类遗忘的启发 - 我们的大脑如何放弃不必要的数据为新信息腾出空间 - 美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家与布鲁克海文国家实验室和三所大学最近合作进行了一项对这种会逐渐“忘记”的材料的超级计算机模拟和X射线表征的研究。这项研究可能有一天会被用于先进的生物启发计算。

阿贡实验室的一名纳米科学家和研究学者Subramanian Sankaranarayanan说:“大脑的能力有限,因为它只有能够忘记,才能有效运作。 “创造一种类似于一种遗忘模式的非生命材料是很难的,但是我们所负责的这种特殊材料实际上可以模仿这种行为。”

这种被称为量子钙钛矿的材料为研究人员提供了一个比较简单的非生物模型,可以在电子水平上看出“遗忘”的可能性。当质子反复插入和去除时,钙钛矿显示出一种适应性反应,类似于大脑对反复刺激的脱敏。

当科学家最初添加或去除钙钛矿(SmNiO3(SNO))晶格中的质子(H +)时,材料的原子结构会发生一种被称为“晶格呼吸”的过程,它会剧烈膨胀或收缩从而适应质子的变化。但是当这种情况一再发生时,材料的行为会发生变化,比如晶格呼吸的频率会降低 - 意味着质子的“威胁”不再导致材料过度通气。

“最终,我们添加或者去除一个质子,都很难引起钙钛矿的反应。”美国能源部科学设施办公室一位物理学家Hua Zhou表示,他使用阿贡高级光子源(Advanced Photon Source,APS)提供的X射线来表征材料的行为 。 “就好像你第一次下滑的时候非常害怕水滑梯,但是之后每次下滑,你的反应将会越来越弱。”

由于材料会对科学家加减的质子做出反应,因此其抵抗电流的能力可能会受到严重的影响。这种行为使得材料可以通过质子掺杂而被有效地编程,就算计算机一样。基本上,科学家可以插入或去除质子来控制钙钛矿是否允许电流。

最近研究人员已经在推动开发非硅基材料,如钙钛矿,用于计算,因为硅非常耗能。科学家们可能会在机器学习的领域使用钙钛矿。但科学家们也可以利用钙钛矿特性,将其作为更复杂的生物学习系统的计算模型的基础。

Zhou说:“这些与实验结果非常吻合的模拟结果,激发了一整套全新的训练神经网络的学习算法。

钙钛矿材料和由此产生的神经网络算法可以帮助开发更有效的包括面部识别,推理和类人决策的人工智能系统。科学家们正在继续研究,以发现这些具有这些大脑特性的其他材料以及编程这些材料的新方法。

最后,不像硅,其电子结构可以很容易地使用简单的计算机模型来描述,了解钙钛矿材料需要计算密集的模拟,以及去捕捉其结构如何反应质子掺杂。

帮助创建了两者都属于DOE科学用户设施办公室的阿贡纳米材料中心和阿贡领导的计算设施的钙钛矿行为的复杂模型的Sankaranarayanan说:“一个经典的框架不适用于这个复杂的系统,量子效应应占主导地位,所以这需要强大计算需求的模拟来显示质子是如何在结构内移动的。”

图为阿贡国家实验室

这种综合性的研究是阿贡的跨学科园区的独特能力,科学家可以在这轻松分享想法和资源。

一项基于“基于习惯的突触可塑性和量子钙钛矿中的有机学习”研究的研究成果出现在8月14日的Nature Communications在线期刊上。

该研究隶属于由半导体研究中心和美国国防部高级研究计划局资助的六个中心之一的自旋电子材料,接口和新型结构(C-SPIN)中心。

研究经费由美国陆军研究办公室,美国空军科学研究办公室,C-SPIN,英特尔公司和范内瓦布什教员奖学金提供。

该小组成员包括来自阿贡,布鲁克海文国家实验室,麻省理工学院,普渡大学和罗格斯大学的研究人员。

原文链接:https://www.sciencedaily.com/releases/2017/10/171010124057.htm

原文作者:DOE/Argonne National Laboratory

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