Нейроподобные осцилляторы и их системы на основе полимер-сегнетоэлектрических нанокомпозитов

Научно-исследовательская работа посвящена экспериментальному изучению задачи построения имитационных нейросетей на основе аналоговых электрических схем с элементами, динамика которых имитирует нейрональную. Актуальность указанной проблемы обусловлена широким практическим внедрением нейросетевых технологий, используемых, в частности, для анализа больших данных (Big Data), разработки самообучающихся систем искусственного интеллекта, экспертных систем, исследований в области моделирования нервной деятельности биологических объектов. Несмотря на успехи в разработке математических моделей, на пути экспериментальной реализации сложных нейросетей на аналоговых элементах, имитирующих работу биологических систем, существуют значительные затруднения. Они обусловлены сложностью практической реализации базовых автоколебательных элементов с мемристивными свойствами, например, модифицированных осцилляторов ФитцХью-Нагумо, на аналоговых элементах. Предложенные ранее конструкции мемристоров на основе неорганических (например, слои TiO2 с кислородными вакансиями) и полимерных (системы полианилин-нафион) имеют ряд недостатков, затрудняющих возможность реализации систем с большим числом нейроподобных осцилляторов. Это обусловлено как традиционной планарной технологией изготовления, характерной для неорганических мемристоров, ведущей к высокой стоимости данных систем и трудностей в реализации сетей с трехмерным масштабированием, так и требованиями к внешней среде (погружение в жидкие электролиты), характерными для конструкций на основе полимерных материалов. Научная новизна проекта заключается в использовании в качестве материала для реализации мемристоров композитов в виде матриц проводящего полимера (например, полианилин), наполненного сегнетоэлектрическими наночастицами. В этом случае управление величиной проводимости данного композита может быть путем изменения взаимной ориентации направления движения носителей заряда в полимере и поляризации сегнетоэлектрических наночастиц наполнителя. Данный процесс влияет на величину локального электрического поля вокруг наночастиц, рассеивающего носители заряда, а также изменяет энергию ловушек носителей заряда, возникающих на границе раздела фаз "наночастица-полимерная матрица". Реализация мемристивных элементов на основе подобных нанокомпозитов позволит избежать недостатков описанных ранее конструкций на неорганических и полимерных материалах, сочетая низкую стоимость изготовления элементов с отсутствием специальных требований к среде для их функционирования. К преимуществам указанной конструкции также следует отнести тот факт, что по сравнению с предложенными ранее конструкциями полимерных мемристоров, в основе функционирования которых лежат химические реакции окисления и восстановления, в данном случае используются физические процессы рассеяния и захвата носителей заряда, интенсивность которых обусловлена величиной и направлением поляризации внедренных наночастиц. Предлагаемая конструкция ведет к существенному упрощению схемотехнической реализации нейроподобных осцилляторов на основе данных структур, поскольку управление поляризацией может осуществляться непосредственно электрическими импульсами. Возможность успешной экспериментальной реализации подобных элементов подтверждается созданием на основе полимер-сегнетоэлектрических нанокомпозитов, например, прототипа запоминающего устройства, переключаемого из между состояниями с "высоким" и "низким" значениями проводимости в зависимости от полярности приложенных импульсов напряжения. При этом переход между указанными состояниями обусловлен изменением направления спонтанной поляризации внедренных в полимер сегнетоэлектрических наночастиц.