05 februari 2019

En transistor i organisk elektronik som både kan lära sig och har såväl kort- som långtidsminne har utvecklats av forskare vid Linköping universitet. Tekniken innebär ett stort steg mot att efterlikna hur den mänskliga hjärnan fungerar.

Simone Fabiano och Jennifer Gerasimov
Simone Fabiano och Jennifer Gerasimov har tagit fram en lärande transistor som efterliknar hur synapser skickar signaler mellan nervceller. Fotograf: Thor Balkhed
Hittills har våra hjärnor varit unika i att kunna skapa kopplingar där inga kopplingar tidigare fanns. I en vetenskaplig artikel i Advanced Science visar nu forskare vid Linköpings universitet en transistor som kan skapa en helt ny koppling mellan in- och utsignal. Transistorn har de också bygg in i en elektronisk krets som lär sig att koppla samman ett visst stimuli med en utsignal på samma vis som en hund lär sig att skrammel med matskålen betyder mat och börjar dregla.

Förändrar sig själv

En vanlig transistor fungerar som en ventil som förstärker eller förminskar utsignalen, beroende på hur insignalen ser ut. I den organiska elektrokemiska transistor som forskarna har tagit fram formas själva kanalen i transistorn av en elektropolymeriserad ledande polymer. Kanalen kan formas, den kan växa eller krympa, och även tas bort helt under gång. Den kan också tränas att reagera på ett visst stimuli, en viss insignal, så att transistorkanalen leder allt bättre och utsignalen blir allt större.

– Det är första gången någon har kunnat visa förändringsbarhet i en elektronisk komponent i realtid i ett system som ska efterlikna hur hjärnan fungerar, säger Simone Fabiano, forskningsledare inom organisk nanoelektronik vid Laboratoriet för organisk elektronik, Campus Norrköping.

Efterliknar hjärnceller

Förändringarna sker genom att öka polymeriseringen av materialet i transistorkanalen, fler och fler polymerkedjor skapas som leder signalen, eller så överoxideras materialet (en hög spänning läggs på) så att kanalen blockeras. Gradvisa förändringar av ledningsförmågan kan också göras genom att förändra dopningen av materialet.

– Vi har visat att vi kan skapa både kortvariga och permanenta förändringar i hur transistorn processar information, något som är nödvändigt om vi vill efterlikna det sätt som hjärnceller kommunicerar med varandra, säger Jennifer Gerasimov, postdoktor inom organisk nanoelektronik och en av artikelns författare.

Genom att ändra ingångssignalen kan styrkan i transistorns reaktion moduleras inom ett stort spann och kopplingar kan skapas där inga kopplingar tidigare fanns. Det ger ett beteende som är jämförbart med synapsernas eller med kommunikationen mellan två hjärnceller.

Hårdvara för maskininlärning

Detta innebär även ett stort steg framåt inom maskininlärning med organisk elektronik. Inom maskininlärning används i dag mjukvarubaserade neurala nätverk för det som också kallas djupinlärning. Mjukvaran ser till att signalerna skickas mellan ett stort antal noder för att simulera en enda synaps, något som kräver stor beräkningskraft och därmed också Jennifer Gerasimov och Simone FabianoJennifer Gerasimov och Simone Fabiano Foto Thor Balkhedenergi.

– Vi har tagit fram en hårdvara som gör samma sak med en enda elektronisk komponent, konstaterar Jennifer Gerasimov.

– Vår organiska elektrokemiska transistor kan därför utföra tusentals vanliga transistorers jobb med en energiåtgång som närmar sig den energi som går åt när en mänsklig hjärna skickar signaler mellan två celler, intygar Simone Fabiano.

Nyframtagen monomer

För transistorkanalen används inte den i särklass vanligaste polymeren inom den organiska elektroniken, PEDOT. Istället används en polymer av en nyligen utvecklad monomer, ETE-S, framtagen av Roger Gabrielsson, även han verksam vid Laboratoriet för organisk elektronik och medförfattare till artikeln.

ETE-S har flera unika egenskaper som gör den perfekt för den här applikationen. Den formar lagom långa polymerkedjor, den är vattenlöslig som monomer, men inte som polymer, och den producerar polymerer med en lämplig nivå av dopning. Polymeren PETE-S produceras negativt laddad för att balansera de positiva laddningsbärarna (den är p-dopad).

Forskningen har finansierats med medel från bland andra Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vinnova, Vetenskapsrådet och Stiftelsen Strategisk Forskning.

An Evolvable Organic Electrochemical Transistor for Neuromorphic Applications, Jennifer Y Gerasimov, Roger Gabrielsson, Robert Forchheimer, Eleni Stavrinidou, Daniel T Simon, Magnus Berggren and Simone Fabiano, Linköping University, Advanced Science 2018. DOI 10.1002/advs.201801339

Kontakt

Fler nyheter från LOE

En silikonliknande lapp (batteri baserat på ledande plast och lignin) som dras åt olika håll.

Batteriet som kan få vilken form som helst

Med hjälp av elektroder i vätskeform har forskare vid LiU utvecklat ett batteri som kan anta vilken form som helst. Tack vare formbarheten kan batteriet integreras på helt nya sätt i framtidens teknik. Studien är publicerad i Science Advances.

Person i skyddskläder vid ett mikroskop.

Enskild cell kan kopplas till elektroder av plast

Forskare vid LiU har lyckats skapa en nära koppling mellan enskilda celler och organisk elektronik. Studien lägger grunden för att på sikt kunna behandla bland annat neurologiska sjukdomar med mycket hög precision.

Jontronisk pump i tunna blodkärl.

Effektivare cancerbehandling med jontronisk pump

När låga doser av cancerläkemedel tillförs kontinuerligt nära elakartade hjärntumörer med så kallad jontronik minskar cancercelltillväxten drastiskt. Det har forskare vid LiU och det Medicinska universitetet i Graz visat.

Laboratoriet för organisk elektronik

Senaste nytt från LiU

Män som besöker LiU.

De första M-teknologerna vet hur M:et kom på plats

De var några av de första studenterna på M-linjen vid Linköpings tekniska högskola, LiTH. Nu ordnar de ett jubileum för maskinteknologerna under åren 1969−1975. Och de får hjälp av dagens M-studenter.

Pristagaren: "Genetik är lite som Vilda västern"

Colm Nestor har utsetts till 2025 års mottagare av Onkel Adams pris för framstående forskning vid Medicinska fakulteten. Han forskar om genetiska förklaringar till varför autoimmuna sjukdomar och infektioner drabbar kvinnor och män i så olika grad.

Claudia Tazreiter berättar om sitt arbete.

Den migrerande professorn

Som barn på 1970-talet emigrerade Claudia Tazreiter från Österrike till Australien tillsammans med sin familj. Sedan drygt tre år är hon tillbaka i Europa. Nu som professor vid LiU. Det är inte en slump att hennes område är migration.