Geprinte chip naar voorbeeld van de hersenen lost na gebruik in zes minuten op
Onderzoekers in China printten een buigzame chip die, net als onze hersenen, rekent en onthoudt op dezelfde plek. Hij herkent handgeschreven cijfers bijna zo goed als gewone software en lost na gebruik in zes minuten op.
Onze hersenen doen iets wat computers nog steeds lastig vinden: ze rekenen en onthouden op dezelfde plek. Een gewone computer stuurt gegevens voortdurend heen en weer tussen het rekendeel en het geheugen, en dat kost veel stroom. Ons brein werkt op ongeveer 20 watt, zo veel als een zwak lampje.
Onderzoekers proberen dat na te bootsen met kunstmatige synapsen. Een synaps is de verbinding tussen twee hersencellen. Hoe vaker die verbinding wordt gebruikt, hoe sterker hij wordt; zo leren en onthouden we. Kunstmatige versies worden meestal gemaakt van silicium en metalen, in dure stofvrije fabriekshallen. Na gebruik belanden ze bij de berg elektronisch afval.
Een team rond Yang Li van de Suzhou University of Science and Technology in China heeft nu een kunstmatige synaps gemaakt die volledig met vloeibare inkt is geprint, bij kamertemperatuur. Na gebruik kan de chip in zes minuten worden opgelost. Het onderzoek verscheen in het vakblad International Journal of Extreme Manufacturing.
Moleculen als een nette stapel vellen
Het hart van de chip is een laagje kleurstofmoleculen uit dezelfde familie als het deel van onze rode bloedcellen dat zuurstof vasthoudt. De onderzoekers lieten die moleculen zich ordenen tot platte vellen. Zwakke chemische bindingen houden ze op hun plek, een beetje zoals klittenband. De vellen liggen als een stapel papier op elkaar, met tussen elk vel een afstand van 0,35 nanometer. Dat is ruim honderdduizend keer kleiner dan de dikte van een haar.
Die nette ordening maakt de synaps snel en betrouwbaar. Een stroomstootje in de ene richting duwt elektrische lading naar vaste plekjes in het materiaal. Daarna loopt de stroom er makkelijker door: de verbinding is sterker geworden. Een stootje in de andere richting haalt de lading weer weg. Het werkt als een dimmer die onthoudt hoe ver hij openstaat. Volgens de onderzoekers houdt de synaps tien verschillende standen vast en schakelt hij in 26 nanoseconden, oftewel 26 miljardste van een seconde.
Handschrift herkennen
Om te testen of de synapsen ook echt kunnen rekenen, printten de onderzoekers er honderd in een raster van tien bij tien op een buigzaam vel plastic. Daarmee lieten ze een neuraal netwerk handgeschreven cijfers herkennen. Een neuraal netwerk is het soort rekenmodel waarop ook AI draait. Volgens het team ging dat in 97,2 procent van de gevallen goed. Gewone software op een normale computer haalt bij dezelfde test 99,2 procent.
Het vel bleef ook werken nadat het 200 keer achter elkaar strak was omgebogen, in een bocht van 5 millimeter.
Oplossen in zes minuten
Ook de elektrische aansluitingen van de chip zijn met inkt geprint; er zitten geen metalen elektroden in. Het plastic eronder is een kunststof waarvan de chemische verbindingen weer los te maken zijn. Leggen de onderzoekers de chip in een warm chemisch bad, dan vallen het plastic en het moleculaire laagje in zes minuten uiteen in losse bouwstenen die oplossen. Er blijft volgens het team alleen een klein beetje restmateriaal over dat niet meer reageert.
Omdat alles met inkt wordt aangebracht, kunnen zulke chips in principe met gewone spuit- en inkjetprinters worden gemaakt. De miljoenen kostende vacuümapparatuur van chipfabrieken is dan niet nodig. De onderzoekers denken als eerste aan buigzame medische pleisters en draagbare meters voor kortdurend gebruik. Die zouden gezondheidsgegevens direct op het lichaam kunnen verwerken en daarna netjes kunnen verdwijnen. Ook voor gegevensbeveiliging zien ze kansen: een chip die volledig oplost, laat geen gegevens achter.
De volgende stappen
Honderd synapsen is een eerste stap; in onze hersenen zitten er biljoenen. Het team werkt nu aan grotere rasters. Omdat het materiaal gevoelig is voor vocht, ontwikkelen de onderzoekers ook een flinterdunne beschermlaag, zodat de chips ook in vochtige buitenlucht betrouwbaar blijven werken.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
AI vraagt steeds meer stroom, en een groot deel daarvan gaat op aan het heen en weer pompen van gegevens. Chips die net als hersenen rekenen en onthouden op dezelfde plek, kunnen dat flink verminderen. Dit onderzoek laat zien dat zulke chips niet per se uit een dure fabriek hoeven te komen: ze kunnen goedkoop worden geprint en na gebruik weer verdwijnen.
Daarmee komt kleine, zuinige AI dichter bij het lichaam, bijvoorbeeld in een pleister die zelf metingen analyseert zonder alles naar een datacenter te sturen. En AI kan op zijn beurt helpen om dit soort materialen te vinden. Er zijn talloze varianten van zulke moleculaire roosters te bedenken. AI-modellen die scheikunde, natuurkunde en elektronica tegelijk overzien, kunnen in de toekomst sneller aanwijzen welke het beste werken als kunstmatige synaps. Zo kan AI meehelpen aan de zuinige hardware waarop de AI van morgen draait.
