Дата публикации: 06.05.2020
Создан прототип органической батареи,
которая по ёмкости, производительности и скорости зарядки
превосходит существующие элементы питания.
Структура устройства на молекулярном уровне: золотые наночастицы на нижнем электроде усиливают поле, делая возможной ультранизкоэнергетическую работу молекулярного устройства.
@ Сритош Госвами, Срибрата Госвами и Тирумалай Венки Венкатесан
Ожидается, что появление искусственного интеллекта, машинного обучения и интернета вещей изменит современную электронику и приведёт к четвертой промышленной революции. Актуальный вопрос для многих исследователей заключается в том, как справиться с этой технологической революцией, поскольку наша элементная база не готова ко глобальному воплощению наших же амбиций.
«Нам важно понимать, что современные вычислительные платформы не сумеют поддержать масштабную реализацию ИИ-алгоритмов для массивных наборов данных, – говорит Тирумалай Венкатесан, один из авторов статьи, опубликованной в ежегодном журнале об экспериментальных и теоретических исследованиях в области науки и техники «Обзоры прикладной физики». – Сегодня вычисления слишком энергоёмки, чтобы обрабатывать большие данные. Нам необходимо переосмыслить подходы к вычислениям на всех уровнях: материалы, устройства и архитектура, которые могут обеспечить вычисления со сверхнизкой энергией».
Он также поясняет: система электронного мозга с органическими мемристорами (так называемые «резисторы с памятью» – пассивные элементы, меняющие своё сопротивление в зависимости от протекавшего через них заряда) может предложить функционально перспективную и экономически эффективную платформу для вычислительных технологий и гибких носимых персонализированных устройств. Дело в том, что мемристорные электронные устройства имеют встроенную память и способны как хранить данные, так и выполнять вычисления. А учитывая, что их работа в некоторой степени аналогична действию нейронов (являющихся, говоря техническим языком, вычислительными единицами мозга), они предстают наиболее подходящими кандидатами для вдохновлённых мозгом вычислительных платформ.
До настоящего времени оксиды были ведущими среди материалов для производства этих «искусственных нейронов». Было предложено немало различных соединений и веществ (среди них нитриды и двумерные элементы), но пока ни один вариант не был успешен. Другое дело – органический подход. Органические мемристоры производят пространственно-однородное переключение, а самое приятное – настраиваемые функциональные возможности молекул и сверхнизкие энергозатраты, к сущим джоулям приближающиеся. Такие показатели энергопотребления крайне желательны, но даже в принципе недостижимы с другими материалами системы.
«За последние 20 лет было несколько попыток создать органические мемристоры, но ни одна из них не показалась сколько-нибудь перспективной», – поясняет Сретош Госвами, ведущий автор статьи. Как показали эксперименты, основные затруднения сопряжены с нестабильностью, нехваткой воспроизводимости, механистической неоднозначности (масштабируемости), выносливости, однородности и скорости, которые так необходимы в промышленном применении. Но, «на уровне устройства мы теперь можем решить большинство из этих проблем», – признаёт учёный. Такие результаты предвосхищают выход на мировую арену нового поколения органических мемристоров с широкими возможностями промышленной конкуриренции. Они сделают возможной функциональную перестройку посредством молекулярной инженерии: например, изменение металлического центра, донорно-акцепторных взаимодействий (лигандов) атомов, ионов или молекул участвующих веществ, а также обменных продуктов этих взаимодействий (противоионов). Сочетание молекулярной и приборостроительной техники может сделать эту систему идеальным кандидатом для электроники, вдохновлённой мозгом.
Новое поколение органических мемристоров разработано на основе металлических азокомплексных устройств, которые являются детищем ещё одного автора статьи – Срибаты Госвами, профессора Индийской Ассоциации Развития Науки в Калькутте.
«В тонких плёнках молекулы настолько прочны и устойчивы, что в конечном итоге эти устройства могут стать правильным выбором для многих носимых и имплантируемых технологий или сеток для тела, поскольку они могут быть сгибаемыми и растягиваемыми», – смотрит в будущее Срибата Госвами. Сетка для тела может представлять собой серию беспроводных датчиков, которые, будучи прилеплены к коже, отслеживают состояние здоровья пользователя.
Запуск этих органических мемристоров в масштабное производство Венкатесан обозначил следующей задачей: «Сейчас мы производим отдельные устройства в лаборатории. Нам нужно сделать схемы для крупномасштабной функциональной реализации этих устройств».
Это значит, что уже не так долго остаётся ждать участия сложнейших устройств и приложений, оснащённых ИИ и связанных Интернетом Вещей, в наших повседневных делах. Органические запоминающие устройства обещают гибкие специализированные вычисления не только в специфических научных, инженерно-конструкторских и производственных областях, но и персонализированные носимые бытовые приборы, гаджеты, девайсы. Вдохновлённая мозгом, электронная нейросеть с органическими мемристорами вскоре и сама будет вдохновлять нас на новые свершения. Возможно, следующие крупнейшие технологические достижения будут опираться именно на неё.