Nanochannels 2D yang dapat diprogram meniru baik perilaku sinaptik dan beberapa jenis memori, menandai kemajuan besar dalam komputasi neuromorfik.
Para peneliti di National Graphene Institute University of Manchester telah mengembangkan kelas baru memristor nanofluida yang dapat diprogram yang meniru fungsi memori otak manusia, membuka jalan bagi komputasi neuromorfik generasi berikutnya.
Dalam sebuah studi yang melanggar penelitian yang diterbitkan di Komunikasi Alam para ilmuwan dari National Graphene Institute, Photon Science Institute dan Departemen Fisika dan Astronomi telah menunjukkan bagaimana nanochannels dua dimensi (2D) dapat disetel untuk memamerkan keempat jenis perilaku memristif yang diprediksi secara teoritis, sesuatu yang belum pernah dicapai dalam satu perangkat tunggal. Studi ini tidak hanya mengungkapkan wawasan baru tentang mekanisme memori ionik tetapi juga memiliki potensi untuk memungkinkan aplikasi yang muncul dalam logika ionik berdaya rendah, komponen neuromorfik, dan penginderaan kimia adaptif.
Memristor, atau resistor memori, adalah komponen yang menyesuaikan resistensi mereka berdasarkan aktivitas listrik masa lalu, secara efektif menyimpan memori itu. Sementara sebagian besar memristor yang ada adalah perangkat solid-state yang mengandalkan gerakan elektron, tim, yang dipimpin oleh Prof Radha Boya, menggunakan elektrolit cair terbatas dalam nanochannels tipis yang terbuat dari bahan 2D seperti MOS2 dan HBN. Pendekatan nanofluida ini memungkinkan operasi energi yang sangat rendah dan kemampuan untuk meniru proses pembelajaran biologis.
Empat mode memori, satu perangkat
Studi ini mengungkapkan bahwa dengan menyetel parameter eksperimental seperti komposisi elektrolit, pH, frekuensi tegangan, dan geometri saluran, perangkat nanofluida yang sama dapat beralih di antara empat gaya loop memori yang berbeda, dua jenis “persimpangan” dan dua “non-penyeberangan”. Gaya loop ini sesuai dengan mekanisme memori yang berbeda, termasuk interaksi ion-ion, adsorpsi/desorpsi muatan ion, inversi muatan permukaan, dan polarisasi konsentrasi ion.
“Ini adalah pertama kalinya keempat jenis memristor diamati dalam satu perangkat,” kata Profesor Radha Boya, penulis senior penelitian. “Ini menunjukkan tunabilitas luar biasa dari sistem nanofluida dan potensi mereka untuk mereplikasi perilaku seperti otak yang kompleks.”
Meniru sinapsis otak
Selain menunjukkan beberapa mode memori, perangkat ini juga menunjukkan memori jangka pendek dan jangka panjang, mirip dengan sinapsis biologis. Kontrol dinamis ini atas durasi memori sangat penting untuk mengembangkan sistem neuromorfik yang dapat beradaptasi dan belajar dari lingkungan mereka.
Misalnya, perangkat dapat “melupakan” informasi dari waktu ke waktu atau menyimpannya selama berhari -hari, tergantung pada kondisi tegangan dan elektrolit yang diterapkan, misalnya, seperti bagaimana orang mungkin dengan cepat lupa di mana mereka meninggalkan kunci mereka, namun mengingat alamat rumah mereka seumur hidup.
Bayangkan Anda bekerja di kafe. Pada awalnya, gemerincing cangkir dan obrolan terlihat, tetapi segera otak Anda menyaringnya sehingga Anda dapat fokus. Fenomena sehari-hari ini disebut adaptasi sensorik, dan depresi sinaptik jangka pendek adalah salah satu mekanisme seluler yang berkontribusi terhadap mereka. Tim meniru depresi sinaptik jangka pendek, suatu proses di mana sinyal saraf berturut-turut mengurangi kekuatan respons kecuali waktu yang cukup diizinkan untuk pemulihan. Pada neuron, ini disebabkan oleh penipisan sementara vesikel neurotransmitter. Dalam nanochannels, efek yang sama muncul karena interaksi ionik, yang membutuhkan waktu untuk bersantai kembali ke keadaan awalnya.
Model minimal dan lompatan besar
Untuk menjelaskan perilaku yang diamati, tim mengembangkan model teoritis minimal yang menggabungkan interaksi ion-ion, adsorpsi permukaan, dan efek saluran masuk saluran. Model ini berhasil mereproduksi keempat tipe loop memristif, menawarkan kerangka kerja terpadu untuk memahami dan merancang sistem memori nanofluida di masa depan.
“Karya ini merupakan lompatan besar dalam pemahaman kita tentang ingatan ionik,” kata Dr Abdulghani Ismail, penulis utama penelitian ini. “Ini membuka kemungkinan menarik untuk sistem komputasi adaptif yang berdaya rendah yang beroperasi lebih seperti otak manusia.”
Menuju komputasi yang terinspirasi oleh otak
Dengan memanfaatkan sifat unik dari bahan 2D dan transportasi ion fluida, para peneliti membayangkan kelas baru perangkat komputasi yang dapat dikonfigurasi ulang dan hemat energi yang mampu belajar dan pengambilan keputusan waktu nyata, dengan implikasi luas untuk kecerdasan, robotika, dan bioelektronika.
Penelitian ini diterbitkan dalam jurnal Komunikasi Alam .
Judul Lengkap: Memristor yang dapat diprogram dengan saluran nanofluida dua dimensi
10.1038/s41467-025-61649-6
National Graphene Institute (NGI) adalah graphene terkemuka dunia dan pusat material 2D, difokuskan pada penelitian mendasar. Berbasis di University of Manchester, di mana Graphene pertama kali diisolasi pada tahun 2004 oleh profesor Sir Andre Geim dan Sir Kostya Novoselov, itu adalah rumah bagi para pemimpin di bidangnya – sebuah komunitas spesialis penelitian yang memberikan penemuan transformatif. Keahlian ini dicocokkan dengan fasilitas terdepan £ 13 juta, seperti ruang bersih kelas 5 dan 6 terbesar di akademisi global, yang memberi NGI kemampuan untuk memajukan aplikasi industri yang mendasari di bidang-bidang utama termasuk: komposit, membran fungsional, bahan boring 2d-toromed, 2d-material yang berbasis 2D.
