Исследователи создали небольшое устройство, которое «видит» и создает воспоминания аналогично человеческому, что является многообещающим шагом на пути к созданию приложений, которые однажды смогут принимать быстрые и сложные решения, например, в самоуправляемых автомобилях.
Нейроморфное изобретение представляет собой единый чип, оснащенный чувствительным элементом, легированным оксидом индия, который в тысячи раз тоньше человеческого волоса и для работы которого не требуются внешние детали.
Инженеры университета RMIT в Австралии руководили работой при участии исследователей из Университета Дикина и Мельбурнского университета.
Исследование команды демонстрирует работающее устройство, которое захватывает, обрабатывает и сохраняет визуальную информацию. Благодаря точной разработке легированного оксида индия устройство имитирует способность человеческого глаза улавливать свет, предварительно упаковывает и передает информацию подобно оптическому нерву, а также сохраняет и классифицирует ее в системе памяти подобно тому, как это делает наш мозг.
По словам команды, в совокупности эти функции могли бы обеспечить сверхбыстрое принятие решений.
Руководитель группы профессор Сумит Валия (Sumeet Walia) сказал, что новое устройство может выполнять все необходимые функции — воспринимать, создавать и обрабатывать информацию, а также сохранять воспоминания — вместо того, чтобы полагаться на внешние энергоемкие вычисления, которые препятствуют принятию решений в режиме реального времени.
«До сих пор выполнение всех этих функций на одном маленьком устройстве было большой проблемой», — говорит Валия из инженерной школы RMIT. «С помощью нашего изобретения мы обеспечили возможность принятия решений в режиме реального времени, поскольку ему не нужно обрабатывать большие объемы нерелевантных данных и передача данных на отдельные процессоры не замедляется».
Профессор Сумит Валия (слева) и научный сотрудник PhD Айшани Мазумдер с демонстрацией (с использованием видимого света) экспериментальной установки для исследования, в которой использовался ультрафиолетовый свет. Автор: Уилл Райт, Университет RMIT
Чего добилась команда и как работает технология?
Новое устройство смогло продемонстрировать способность сохранять информацию в течение более длительных периодов времени, по сравнению с ранее представленными устройствами, без необходимости частых электрических сигналов для обновления памяти. Эта возможность значительно снижает энергопотребление и повышает производительность устройства.
Исследование команды «Долговременный постоянный фототок в легированном оксиде индия толщиной 3 нм для интегрированного светочувствительного анализа и внутрисенсорных нейроморфных вычислений» опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
Первый автор и исследователь RMIT, доктор философии Айшани Мазумдер, сказала, что человеческий мозг использует аналоговую обработку, что позволяет ему обрабатывать информацию быстро и эффективно, затрачивая минимум энергии.
«Напротив, цифровая обработка требует больших затрат энергии и углерода и препятствует быстрому сбору и обработке информации», — сказала она. «Системы нейроморфного зрения разработаны таким образом, чтобы использовать аналоговую обработку, аналогичную работе человеческого мозга, что может значительно снизить количество энергии, необходимое для выполнения сложных визуальных задач, по сравнению с современными технологиями».
Каковы потенциальные области применения?
Команда использовала ультрафиолетовый свет в рамках своих экспериментов и работает над дальнейшим распространением этой технологии на видимый и инфракрасный свет — с множеством возможных применений, таких как бионическое зрение, автономные операции в опасных условиях, оценка срока годности пищевых продуктов и продвинутая судебно-медицинская экспертиза.
«Представьте себе самоуправляемый автомобиль, который может видеть и распознавать объекты на дороге точно так же, как водитель-человек может быстро обнаруживать и отслеживать космический мусор. Это было бы возможно с помощью технологии нейроморфного зрения».
Нейроморфный зрительный чип команды. Кредит: Университет RMIT
Валия сказала, что нейроморфные системы могут со временем адаптироваться к новым ситуациям, становясь более эффективными с увеличением опыта.
«Традиционные системы компьютерного зрения, которые нельзя миниатюризировать, как нейроморфные технологии, обычно программируются по определенным правилам и не могут так легко адаптироваться», — сказал он. «Нейроморфные роботы обладают потенциалом для автономной работы в течение длительного времени в опасных ситуациях, когда работники подвергаются воздействию возможных обвалов, взрывов и токсичного воздуха».
Человеческий глаз имеет единственную сетчатку, которая фиксирует изображение целиком, которое затем обрабатывается мозгом для идентификации объектов, цветов и других визуальных особенностей.
По словам Валии, устройство команды имитировало возможности сетчатки, используя одноэлементные датчики изображения, которые захватывают, хранят и обрабатывают визуальную информацию на одной платформе.
«Человеческий глаз исключительно хорошо реагирует на изменения в окружающей среде быстрее и гораздо эффективнее, чем это в настоящее время могут сделать камеры и компьютеры», — сказал он. «Черпая вдохновение в глазу, мы в течение нескольких лет работали над созданием камеры, обладающей аналогичными возможностями, с помощью процесса нейроморфной инженерии».
