Künstliche Nerven: Memristoren reagieren wie Synapsen

Winzig, elektronisch, lernfähig

Mikroskop-Aufnahmen einer Schaltung mit 17 Memristoren: Das Bauelement soll in Zukunft für die Speicherung und Verarbeitung von Daten genutzt werden Bild: J. J. Yang, HP Labs
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Bielefelder Physiker konnten zeigen, dass eine neue Sorte mikroskopisch kleiner Elektronikbauteile – die Memristoren – in der Lage ist, wesentliche Eigenschaften von natürlichen Nerven zu imitieren.

Selbst Superrechner sind nicht so effizient wie das menschliche Gehirn. Weltweit versuchen Wissenschaftler daher, Nervenzellen künstlich nachzubauen, um zu verstehen, wie Gehirne arbeiten, und um künftig leistungsfähigere Computer bauen zu können. Physiker der Universität Bielefeld haben jetzt gezeigt, dass eine neue Sorte von mikroskopisch kleinen Elektronikbauteilen – die Memristoren – in der Lage ist, wesentliche Eigenschaften von natürlichen Nerven zu imitieren. Damit bestätigen die Forscher die Annahme, dass Memristoren zum Bau künstlicher Gehirne und Nervensysteme genutzt werden können. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Wissenschaftler in der Print-Ausgabe der angesehenen Fachzeitschrift „Advanced Materials“.

Memristoren bestehen zum Beispiel aus Drähten in Nanogröße. Diese Nanodrähte leiten Strom unterschiedlich stark. Wie gut sie leiten beziehungsweise wie stark ihr Widerstand ist, das hängt unter anderem davon ab, wie stark der Strom war, der in der Vergangenheit durch sie geflossen ist und wie lange dieser Strom auf sie einwirken konnte. Damit lernt und merkt sich ein Memristor seine „Geschichte“ – und das auch dann, wenn der Strom abgeklemmt ist. Ein Memristor funktioniert damit so ähnlich wie ein „Bauteil“ im menschlichen Gehirn, über das die Nervenzellen miteinander in Kontakt treten: die Synapse. Auch diese „Brücke“ zwischen den Nervenzellen wird stärker, je öfter sie beansprucht wird:
Wissenschaftler wollen die Ähnlichkeit zwischen Synapsen und Memristoren zum Beispiel nutzen, um Computer zu konstruieren, die ähnlich schnell und stromsparend wie das menschliche Gehirn arbeiten. Ein erster Schritt zu solchen künstlichen neuronalen Netzen ist dem Bielefelder Experimentalphysiker Privatdozent Dr. Andy Thomas und seinen Mitarbeitern Dr. Patryk Krzysteczko und Jana Münchenberger zusammen mit Professor Dr. Günter Reiss gelungen. Bisher war unklar, ob mit der Verstärkung des Signals im Memristor die Nervenzelle tatsächlich imitiert werden kann. Die Nachwuchsforschergruppe um Andy Thomas liefert in ihrer jüngsten Veröffentlichung dazu nun entscheidende Messdaten.
Sie stellten nicht nur fest, dass Memristoren wie Synapsen reagieren können – sie fanden außerdem heraus, dass sie ähnliche Eigenschaften wie die feuernden Nervenzellen aufweisen. Demnach zeigt der elektrische Widerstand in den elektronischen Bauteilen einen Verlauf, wie er in ähnlicher Form in Nervenzellen vorkommt. Den Forschern zufolge springt der Widerstand zwischen zwei festen Werten hin und her, entsprechend dem Verlauf in natürlichen Nervenzellen.
Weitere Informationen: www.spinelectronics.de dx.doi.org/10.1002/adma.201103723
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