Искусственно созданные биологические процессы, такие как системы восприятия, остаются труднодостижимой целью для экспертов по органической электронике из-за зависимости человеческих чувств от адаптивной сети сенсорных нейронов, которые взаимодействуют, активируясь в ответ на стимулы окружающей среды.
Новое сотрудничество между Северо-Западным университетом и Georgia Tech открыло новый потенциал для этой области, создав новый высокопроизводительный органический электрохимический нейрон (OECN), который реагирует в диапазоне частот человеческих нейронов. Команда также построила полную систему восприятия, спроектировав другие органические материалы и интегрировав свои сконструированные нейроны с искусственными сенсорными рецепторами и синапсами, что позволило в реальном времени распознавать и обрабатывать тактильные сигналы.
Исследование, описанное в статье в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , может дать толчок развитию интеллектуальных роботов и других систем, которые в настоящее время сдерживаются сенсорными системами, менее мощными, чем у человека.
«Исследование подчеркивает значительный прогресс в органической электронике и ее применении в преодолении разрыва между биологией и технологией», — сказал первый автор Яо Яо, профессор инженерного дела Северо-Запада. «Мы создали эффективный искусственный нейрон с уменьшенным размером и выдающимися нейронными характеристиками. Используя эту возможность, мы разработали полную тактильную нейроморфную систему восприятия для имитации реальных биологических процессов».
По словам автора-корреспондента Тобина Дж. Маркса, профессора химии имени Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон из Северо-Западного университета в Колледже искусств и наук Вайнберга, существующие искусственные нейронные цепи, как правило, активируются в узком диапазоне частот.
«Синтетический нейрон в этом исследовании достигает беспрецедентной производительности в частотной модуляции, предлагая диапазон в 50 раз шире, чем существующие органические электрохимические нейронные цепи», — сказал Маркс. «Напротив, выдающиеся нейронные характеристики нашего устройства делают его передовым достижением в органических электрохимических нейронах».
Маркс — исследователь в области металлоорганической химии, химического катализа, материаловедения , органической электроники, фотоэлектричества и нанотехнологий. Он также является профессором материаловедения и инженерии и профессором химической и биологической инженерии в Школе инженерии Маккормика Северо-Западного университета и профессором прикладной физики. Его соавтор Антонио Факкетти, профессор Школы материаловедения и инженерии Технологического института Джорджии, также является адъюнкт-профессором химии в Северо-Западном университете.
«В этом исследовании представлена первая полная нейроморфная система тактильного восприятия на основе искусственных нейронов, которая объединяет искусственные тактильные рецепторы и искусственные синапсы», — сказал Факкетти. «Она демонстрирует способность кодировать тактильные стимулы в импульсные нейронные сигналы в реальном времени и далее переводить их в постсинаптические ответы».
В состав группы входили представители факультетов и школ, а исследователи, специализирующиеся на органическом синтезе, создавали передовые материалы, которые затем внедрялись исследователями электронных устройств в проектирование и производство схем, а также в системную интеграцию.
С огромной сетью человеческого мозга из 86 миллиардов нейронов, готовых к срабатыванию, сенсорные системы по-прежнему трудно воссоздать. Ученые ограничены как размерами конструкции, так и количеством, которое они могут создать. В будущих моделях команда надеется еще больше уменьшить размер устройства, приблизив проект на шаг к полной имитации сенсорных систем человека.
