Nanowires and molecule-based memory systems for optically transmitted signal manipulation

Abstract

With the rapid growth of AI and large language models, concerns about their energy consumption have become increasingly prominent. The traditional digital von Neumann architecture is ill-suited for deep neural networks, prompting the exploration of neuromorphic computational models. These models draw inspiration from nature and the brain to integrate memory and computation efficiently. This thesis, part of the EU-funded InsectNeuroNano project, aims to advance neuromorphic computing.

DASA molecules, a type of photoswitching dye, are used in this project to replicate synaptic weights between neurons. This enables light to act as a signal carrier, allowing the dye to calculate inter-neuron weights. The project investigates dye deposition on 1 cm × 1 cm sapphire slabs, measuring changes in transmission over time and fitting a kinetic decay model.

Additionally, this thesis explores the replication of biological neurons' abilities to receive excitatory and inhibitory signals, process them via a sigmoid activation function, and transmit outputs. As part of the InsectNeuroNano project, III-V nanowires have been combined to create a simple artificial neuron replicating these characteristics. Various measurements on these devices aim to demonstrate their ability to mimic the necessary properties of biological neurons. These measurements include electrical and photoelectrical aspects, divided into standardized and general tests.

The nanowire neuron circuits demonstrated vital properties such as inhibition, excitation, sigmoid activation, and pulse trains. However, these effects were not fully optimized, indicating a gap between biological and artificial neurons. Additional unexplained effects were also observed.

Only two samples fit the kinetic model for the dye experiments, with the other samples affected by irreversible bleaching and where the measurement continued to bleach them. The limited data prevented definitive conclusions about the deposition parameter space, though a potential pattern related to annealing was noted, warranting further investigation.

Popular Abstract (Swedish)

Det är sommar och fåglarna flyger kvickt genom luften, lekande i de varma vindbyarna. För insekterna är detta som vanligt, en kamp mot en fientlig värld och oräkneliga varelser som vill äta dem. Myrorna skyndar sig fram över varma stenar och mellan vegetation i jakt på något som kan tas tillbaka som mat. Varje myra är förbrukningsbar, enbart kolonin spelar roll. Men trots den snålheten med energi som detta leder till klarar de inte bara att hitta mat utan också att leta sig tillbaka till kolonin. Deras små hjärnor, arbetande med den energin som de har, lyckas navigera genom denna ogästvänliga och stora värld.

Gömd från sommarens hetta i den svalkande skuggan av en ek iakttar du myrorna. Men så väck en tanke. Är detta verkligen så imponerande? Har inte människan AI som med alla dess funktionaliteter och förmågor är vida överlägsna i intelligens hela myrornas kolonier? Svaret är inte riktigt så enkelt. AI klarar av att lösa många problem som är omöjliga för myrorna men har samtidigt stora begränsningar. AI, i all sin strålande ungdom, kräver mycket mer energi än insekter, något som blivit ett allt mer uppmärksammat problem. I förhållande har insekterna haft flera hundra miljoner år av evolution på sig att optimera sin intelligens.

I vad många kallar ”age of AI” så har detta problem blivit allt mer framträdande och EU har genom olika projekt försökt finna lösningar. Denna uppsats är genomförd som en del av ett av dessa projekt, InsectNeuroNano, där målet är att skapa en fysisk kopia av insekternas navigationssystem. För att detta skall fungera krävs en bra förståelse över hur de planerade komponenterna fungerar vilket är där denna uppsats kommer in med sitt bidrag.

Genom forskning på insekter vid Lunds universitet har forskare kartlagt en region i deras hjärna kallad det centrala komplexet, som är ansvarigt för navigation. För att kunna efterlikna denna funktion har forskarna använt nanotrådar. Dessa är små pelare som mäter ungefär en hundradel av ett hårstrå i längd och en tusendel i tjocklek. Genom att kombinera nanotrådarna kan man efterlikna en neurons funktion, med målet att arrangera dem i en ring för att simulera insekternas signalsystem.
De artificiella neuronerna använder ljus som signalbärare. Genom att justera deras placering kan forskarna styra hur ljuset interagerar med de olika neuronerna, vilket efterliknar hur signaler fördelas i en insekts hjärna. Den första delen av experimenten i denna uppsats syftar till att förstå hur ljus, nanotrådar och elektricitet samverkar, samt hur dessa artificiella neuroner kan härma biologiska neuroners egenskaper. En serie experiment har genomförts för att ta fram tre standardmätningar som avgör om en artificiell neuron har de egenskaper som krävs.
I alla hjärnor, inklusive insekternas, finns något som kallas vikt mellan neuroner. Detta representerar hur många och hur starka signalerna mellan neuroner är, vilket gör det möjligt för insekterna att minnas. För att implementera detta har forskarna använt ett färgämne som blir mer transparent när det exponeras för ljus. Om färgämnet sedan lämnas i mörker återfår det sin ursprungliga färg. Detta innebär att om färgämnet belyses ofta, på grund av många starka signaler mellan neuroner, kommer det att släppa igenom mer ljus. Olika experiment har genomförts där detta ämne blandats i plast och placerats på olika ytor. Förändringen av färg över tid har sedan mätts för att förstå hur placeringen påverkar återgångstiden.
När resultaten sammanfattades visade det sig att både nanotrådarna och färgämnet kan hjälpa forskare att återskapa insekters hjärnfunktioner i datorer. Mycket mer forskning och förståelse krävs fortfarande, men framtiden med robotar som är lika intelligenta och små som insekter kanske inte är långt borta. Denna forskning visar ett hoppfullt budskap: vi behöver inte återuppfinna intelligens. Energieffektiviteten vi söker, simpliciteten och miljövänliga robotar är något som surrar runtomkring oss. Allt vi behöver är att luta oss tillbaka, njuta av sommarvärmen och beundra de små hjältarna som utan att veta om det kan vara de som, i all sin enkelhet, kommer lösa många av de problem som bekymrar våra bästa.

• author: Löfström, Nathanael
• supervisor: Anders Mikkelsen
• organization: Synchrotron Radiation Research; Department of Physics
• course: PHYM03 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Neuromorphic computing, Nanowire, InsectNeuroNano, Molecular memory, Artificial neuron, OBIC, DASA photoswitch
• language: English
• id: 9169184
• date added to LUP: 2024-06-28 12:54:27
• date last changed: 2024-06-28 12:54:27