Beeindruckende Erkenntnisse

Nanoelektronik lernt wie ein organisches Gehirn

Dennis L.

Das menschliche Gehirn ist zu beeindruckenden Leistungen imstande. In Sekundenschnelle kann es auf spontane Aktionen reagieren und einen entsprechenden Handlungsimpuls auslösen. Im Vergleich zur Computertechnologie geschieht dies jedoch mit deutlich weniger Aufwand. Einige Forscher haben sich nun die beeindruckende Leistungsfähigkeit des organischen Gehirns auch in der Nanotechnologie zur Nutze gemacht.

Dresden (Deutschland). Die Computertechnologie weist einen Trend zur Verkleinerung auf. Parallel dazu werden jedoch immer stärkere Rechenleistungen gefordert. Aufgrund der geringen Größe stößt diese jedoch langsam aber sicher an ihre Grenzen. Forscher des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) haben sich für die Lösung dieses Problems das menschliche Gehirn zum Vorbild genommen.

Den Wissenschaftlern ist es dabei gelungen, die Strukturen und Leistung des Gehirns, mit Halbleitermaterialien zu kopieren. Die Physikerin Larysa Baraban vom HZDR sagte dazu im wissenschaftlichen Fachjournal Nature electronics, dass sie dank der Erfahrung mit chemischen und biologischen elektronischen Sensoren eine Art künstlichen Neurotransistor entwickelt haben.

Steigende Verarbeitungszeit - abnehmende Leistung

Als vorteilhaft hat sich bei dieser Form der Architektur erwiesen, dass Informationen an einer Stelle erfasst, verarbeitet und gleichzeitig gespeichert werden. Diese Funktionsweise weist auch das menschliche Gehirn auf. Die bisherige Technik hat all diese Prozesse getrennt voneinander durchgeführt. Dies führte jedoch zu einer überhöhten Verarbeitungszeit und zu Abstrichen hinsichtlich der Leistung.

Bereits in der Vergangenheit haben Forscher den Versuch angestellt, einzelne Nervenzellen in einer Petrischale elektronisch miteinander zu verbinden. Jedoch war diese Form von elektronischem Gehirn noch viel zu rudimentär und führte zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis, wie Gianaurelio Cuniberti von der TU Dresden zu verstehen gibt.

Von der Theorie zur Praxis

Die theoretische Idee soll von den Forschern nun in die Tat umgesetzt werden. Dazu wird ein Polymer, welches an poröses Keramik erinnert, auf einen Siliziumwafer, welcher die Schaltungen beherbergt, aufgetragen. Zwischen den Rissen in der Struktur, befinden sich Ionen. Da diese langsamer als Elektronen sind, springen sie nach einem Impuls auch deutlich langsamer auf ihre Ursprungsposition zurück. Durch diese Aktion entsteht eine Art Speichereffekt. Eine stärkere Anregung des einzelnen Transistors, führt dazu, dass sich dieser eher öffnet und den Strom freigibt.

Das System kann durch diesen komplexen Vorgang einen ähnlichen Lerneffekt erzielen, wie ein Mensch. So können Roboter, die mit diesem System arbeiten, sich beispielsweise beibringen, empfindliche Gegenstände deutlich sanfter anzufassen. Eine gezieltere oder genauere Arbeitsweise ist mit diesem Chip bisher noch unwahrscheinlich. Das Forschungsteam setzt seine Priorität vorerst auf den künstlichen Lerneffekt, welcher starke Ähnlichkeiten gegenüber dem menschlichen Gehirn aufweist.

Nature electronics, doi: 10.1038/s41928-020-0412-1

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