Лекция
Это продолжение увлекательной статьи про мемристор .
...
напряжением мемристивной системы сигнал u (t ) представляет сигнал напряжения v ( t ), а сигнал y ( t ) представляет текущий сигнал i ( t ).
Чистый пизастор является частным случаем этих уравнений, а именно , когда х зависит только от заряда ( х = д ) и так как заряд связан с током через производную по времени д д / д т = я ( т ). Таким образом, для чистых мемристоров f (т.е. скорость изменения состояния) должна быть равна или пропорциональна току i ( t ).
Пример сжатой кривой гистерезиса, V против I
Одним из результирующих свойств мемристоров и мемристивных систем является наличие защемления гистерезисного эффекта. [50] Для управляемой током мемристивной системы вход u ( t ) представляет собой ток i ( t ), выход y ( t ) представляет собой напряжение v ( t ), а наклон кривой представляет электрическое сопротивление. Изменение наклона сжатых кривых гистерезиса демонстрирует переключение между различными состояниями сопротивления, что является явлением, центральным для ReRAM.и другие формы двухполюсного сопротивления памяти. На высоких частотах мемристивная теория предсказывает, что сжатый гистерезисный эффект выродится, что приведет к прямолинейному представлению линейного резистора. Было доказано, что мемристоры не могут описывать некоторые типы непересекающихся сжатых гистерезисных кривых (обозначенных как тип II). [51]
Некоторые исследователи подняли вопрос о научной законности моделей мемристоров HP при объяснении поведения ReRAM. [38] [39] и предложили расширенные мемристивные модели для устранения выявленных недостатков. [25]
В одном примере [52] делается попытка расширить структуру мемристивных систем путем включения динамических систем, включающих производные высшего порядка входного сигнала u ( t ) в виде последовательного расширения.
где m - положительное целое число, u ( t ) - входной сигнал, y ( t ) - выходной сигнал, вектор x представляет набор из n переменных состояния, описывающих устройство, а функции g и f являются непрерывными функциями . Это уравнение дает те же кривые гистерезиса с пересечением нуля, что и мемристивные системы, но с другой частотной характеристикой, чем предсказывают мемристивные системы.
В другом примере предлагается включить значение смещения a для учета наблюдаемого эффекта нанобатареи, который нарушает предсказанный эффект суженного гистерезиса с пересечением нуля. [25]
Интерес к мемристору возродился, когда в 2007 году Р. Стэнли Уильямс из Hewlett Packard сообщил об экспериментальной твердотельной версии . Эта статья была первой, чтобы продемонстрировать, что твердотельное устройство может иметь характеристики мемристора основаны на поведении наноразмерных тонких пленок. Устройство не использует магнитный поток, как предложено теоретическим мемристором, и не накапливает заряд, как конденсатор, но вместо этого достигает сопротивления, зависящего от истории тока.
Хотя это не упоминалось в первоначальных отчетах HP об их мемристоре TiO 2 , характеристики переключения сопротивления диоксида титана были первоначально описаны в 1960-х годах.
Устройство HP состоит из тонкой (50 нм ) пленки диоксида титана между двумя электродами толщиной 5 нм : один титан , другой платина . Первоначально в пленке диоксида титана есть два слоя, один из которых имеет небольшое истощение атомов кислорода . Кислородные вакансии действуют как носители заряда , а это означает, что обедненный слой имеет намного меньшее сопротивление, чем не обедненный слой. При приложении электрического поля вакансии кислорода смещаются (см. Проводник на быстрых ионах), изменяя границу между слоями с высоким и низким сопротивлением. Таким образом, сопротивление пленки в целом зависит от того, сколько заряда прошло через нее в определенном направлении, которое обратимо при изменении направления тока. [16] Поскольку устройство HP отображает быструю ионную проводимость в наноразмерном масштабе, оно считается наноионным устройством .
Мемристанс отображается только тогда, когда легированный слой и обедненный слой способствуют сопротивлению. Когда через мемристор прошло достаточно заряда, чтобы ионы больше не могли двигаться, устройство входит в гистерезис . Он перестает интегрировать q = ∫ I d t , но сохраняет q на верхней границе и фиксирует M , тем самым действуя как постоянный резистор, пока ток не изменится.
Применение памяти тонкопленочных оксидов было областью активного исследования в течение некоторого времени. В 2000 году IBM опубликовала статью о структурах, аналогичных описанным Уильямсом. [58] Samsung имеет патент США на оксидно-вакансионные переключатели, аналогичный описанному Уильямсом. Уильямс также имеет патентную заявку США, связанную с конструкцией мемристора. [60]
В апреле 2010 года лаборатории HP объявили, что у них есть практичные мемристоры, работающие с временем переключения 1 нс (~ 1 ГГц) и размерами 3 нм на 3 нм, [61], что предвещает будущее этой технологии. [62] При таких плотностях он может легко конкурировать с современной технологией флэш-памяти менее 25 нм .
В 2004 году Кригер и Спитцер описали динамическое легирование полимерных и неорганических диэлектрических материалов, что улучшило характеристики переключения и удержания, необходимые для создания функционирующих энергонезависимых ячеек памяти. [63] Они использовали пассивный слой между электродом и активными тонкими пленками, что усилило извлечение ионов из электрода. В качестве этого пассивного слоя можно использовать быстрый ионный проводник , что позволяет значительно уменьшить поле ионной экстракции.
В июле 2008 года Ерохин и Фонтана утверждали, что разработали полимерный мемристор до того, как недавно был объявлен мемристор из диоксида титана. [64]
В 2010 году Alibart, Gamrat, Vuillaume et al. [65] представили новое гибридное органическое / наночастичное устройство ( NOMFET : наночастичный органический полевой транзистор с памятью), которое ведет себя как мемристор [66] и демонстрирует основное поведение биологического всплеска синапса. Это устройство, также называемое синапстором ( синапсовый транзистор), был использован для демонстрации нейроиндуцированной схемы (ассоциативная память, демонстрирующая обучение Павлову) [67]
В 2012 году Крупи, Прадхан и Тозер описали концептуальный проект для создания нейронных синаптических схем памяти с использованием мемристоров на основе органических ионов. [68] Схема синапса продемонстрировала долгосрочное потенцирование для обучения, а также забвение, основанное на бездеятельности. Используя сетку контуров, образец света был сохранен и позже вызван. Это имитирует поведение нейронов V1 в первичной зрительной коре, которые действуют как пространственно-временные фильтры, которые обрабатывают визуальные сигналы, такие как края и движущиеся линии.
В 2014 году Бессонов и соавт. сообщили о гибком мемристивном устройстве, содержащем гетероструктуру MoO x / MoS 2, помещенную между серебряными электродами на пластиковую фольгу. [69] Метод изготовления полностью основан на технологиях печати и обработки растворов с использованием двумерных слоистых дихалькогенидов переходных металлов (ТМД). Мемристоры механически гибкие, оптически прозрачныеи производится по низкой цене. Обнаружено, что мемристивное поведение переключателей сопровождается заметным мемокомпактивным эффектом. Высокая эффективность переключения, продемонстрированная синаптическая пластичность и устойчивость к механическим деформациям обещают подражать привлекательным характеристикам биологических нейронных систем в новых вычислительных технологиях.
Атомристор определяется как электрические устройства, демонстрирующие мемристивное поведение в атомарно тонких наноматериалах или атомных листах. В 2018 году Ge и Wu et al. [70] впервые сообщили об универсальном мемристивном эффекте в однослойных атомных пластинах TMD (MX 2 , M = Mo, W; и X = S, Se) на основе структуры устройства вертикальный металл-изолятор-металл (MIM). Эти атомристоры обеспечивают переключение без формовки, а также однополярную и биполярную работу. Поведение переключения наблюдается в монокристаллических и поликристаллических пленках с различными металлическими электродами (золото, серебро и графен). Атомно тонкие листы TMD подготовлены через CVD / MOCVD, позволяя недорогое изготовление. Впоследствии, используя преимущества низкого сопротивления «включено» и большого соотношения « включено / выключено», доказано , что высокопроизводительный РЧ переключатель с нулевой мощностью основан на атомисторах MoS 2 , что указывает на новое применение мемристоров. [71]
Сегнетоэлектрика пизастор [72] основан на тонкой сегнетоэлектрической барьер , расположенный между двумя металлическими электродами. Переключение поляризации сегнетоэлектрического материала путем приложения положительного или отрицательного напряжения к соединению может привести к изменению сопротивления на два порядка: R OFF ≫ R ON (эффект, называемый туннельным электросопротивлением). В общем, поляризация не переключается резко. Обращение происходит постепенно за счет зарождения и роста сегнетоэлектрических доменов с противоположной поляризацией. Во время этого процесса сопротивление не R ON или R OFF, но между Когда напряжение циклично, конфигурация сегнетоэлектрического домена развивается, позволяя точную настройку значения сопротивления. Основные преимущества сегнетоэлектрического мемристора заключаются в том, что можно регулировать динамику сегнетоэлектрического домена, предлагая способ проектирования отклика мемристора, и что колебания сопротивления обусловлены чисто электронными явлениями, способствующими повышению надежности устройства, так как не происходит глубокого изменения структуры материала.
В 2013 году Агеев, Блинов и др. [73] сообщили о наблюдении эффекта мемристора в структуре на основе вертикально выровненных углеродных нанотрубок, изучающих пучки УНТ с помощью сканирующего туннельного микроскопа .
Позже было обнаружено [74] , что НСТ memristive переключения наблюдается , когда нанотрубка имеет неравномерную упругой деформации Д L 0. Было показано , что memristive механизм переключения деформированном СNT основан на формировании и последующего перераспределения неравномерных упругая деформация и пьезоэлектрическое поле Edef в нанотрубке под воздействием внешнего электрического поля E ( x , t ).
Спинтронный мемристор
Исследователи из Seagate Technology Чен и Ванг описали три примера возможных магнитных мемристоров. [75] В одном устройстве сопротивление возникает, когда спин электронов в одной секции устройства направлен в направлении, отличном от направления в другой секции, создавая «доменную стенку», границу между двумя секциями. Электроны, поступающие в устройство, имеют определенный спин, который изменяет состояние намагниченности устройства. Изменение намагниченности, в свою очередь, перемещает доменную стенку и меняет сопротивление. Значимость работы привела к интервью IEEE Spectrum . [76] Первое экспериментальное доказательство спинтроникиМемристор на основе движения доменных стенок спиновыми токами в магнитном туннельном переходе был представлен в 2011 году. [77]
Мемристанс в магнитном туннельном переходе
Было предложено, что магнитный туннельный переход действует как мемристор через несколько потенциально взаимодополняющих механизмов, как внешних (окислительно-восстановительные реакции, захват / захват заряда и электромиграция внутри барьера), так и внутренних ( крутящий момент при передаче спина ).
Внешний механизм
Основываясь на исследованиях, проведенных в период с 1999 по 2003 год, Bowen et al. опубликованные в 2006 году эксперименты с магнитным туннельным переходом (MTJ), наделенным бистабильными спин-зависимыми состояниями [78] ( резистивное переключение ). MTJ состоит из туннельного барьера SrTiO3 (STO), который разделяет полуметаллические оксидные LSMO и ферромагнитные металлические электроды CoCr. Обычные два состояния сопротивления MTJ устройства, характеризующиеся параллельным или антипараллельным выравниванием намагниченности электрода, изменяются путем приложения электрического поля. Когда электрическое поле приложено от CoCr к электроду LSMO, туннельное магнитосопротивление(TMR) соотношение положительное. Когда направление электрического поля меняется на противоположное, ПМР отрицательна. В обоих случаях обнаружены большие амплитуды ПМР, порядка 30%. Поскольку полностью спин-поляризованный ток течет из полуметаллического электрода LSMO в рамках модели Жюльера , это изменение знака предполагает изменение знака эффективной спиновой поляризации интерфейса STO / CoCr. Причиной этого многослойного эффекта является наблюдаемая миграция Cr в барьер и степень его окисления. Изменение знака TMR может быть вызвано модификациями плотности состояний интерфейса STO / CoCr, а также изменениями ландшафта туннелирования на границе STO / CoCr, вызванными окислительно-восстановительными реакциями CrOx.
Отчеты о мемристивном переключении на основе MgO в MTJ на основе MgO появились начиная с 2008 г. [79] и 2009 г. [80] В то время как дрейф кислородных вакансий в изоляционном слое MgO был предложен для описания наблюдаемых мемристивных эффектов, [80] другой объяснением может быть захват / захват заряда на локализованных состояниях кислородных вакансий [81] и его влияние [82] на спинтронику. Это подчеркивает важность понимания роли кислородных вакансий в запоминании работы устройств, в которых используются сложные оксиды со свойственными им свойствами, такими как сегнетоэлектричество [83] или мультиферроизм. [84]
Внутренний механизм
Состояние намагничивания MTJ может контролироваться вращающим моментом с переносом спина и, таким образом, посредством этого внутреннего физического механизма может проявлять мемристивное поведение. Этот вращающий момент индуцируется током, протекающим через соединение, и приводит к эффективному способу достижения MRAM . Однако длительность тока, протекающего через соединение, определяет величину необходимого тока, т. Е. Заряд является ключевой переменной. [85]
Комбинация собственных (вращающий момент при вращении) и внешних (резистивное переключение) механизмов естественным образом приводит к мемристивной системе второго порядка, описываемой вектором состояния x = ( x 1 , x 2 ), где x 1 описывает магнитное состояние электроды и x 2 обозначает резистивное состояние барьера MgO. В этом случае изменение x 1 регулируется током (вращающий момент обусловлен высокой плотностью тока), тогда как изменение x 2регулируется напряжением (дрейф вакансий кислорода обусловлен сильными электрическими полями). Наличие обоих эффектов в мемристивном магнитном туннельном соединении привело к идее наноскопической системы синапс-нейрон. [86]
Спин мемрис система
Принципиально иной механизм мемристивного поведения был предложен Першиным [87] и Ди Вентрой . [88] [89] Авторы показывают, что определенные типы полупроводниковых спинтронных структур относятся к широкому классу мемристивных систем, как определено Чуа и Кангом. Механизм мемристивного поведения в таких структурах полностью основан на степени свободы электронного спина, которая обеспечивает более удобный контроль, чем ионный транспорт в наноструктурах. При изменении внешнего управляющего параметра (такого как напряжение) регулировка спиновой поляризации электронов задерживается из-за процессов диффузии и релаксации, вызывающих гистерезис. Этот результат ожидался при изучении спиновой экстракции на границах раздела полупроводник / ферромагнетик [90], но не был описан с точки зрения мемристивного поведения. В краткосрочной перспективе эти структуры ведут себя почти как идеальный мемристор. Этот результат расширяет возможный спектр применений полупроводниковой спинтроники и делает шаг вперед в будущих практических применениях.
В 2017 году д-р Крис Кэмпбелл официально представил мемристор с автономным каналом (SDC). [91] Устройство SDC является первым запоминающим устройством, доступным на рынке для исследователей, студентов и любителей электроники во всем мире. [92] Устройство SDC работает сразу после изготовления. В активном слое Ge 2 Se 3 обнаруживаются гомополярные связи Ge-Ge и происходит переключение. Три слоя, состоящие из Ge 2 Se 3 / Ag / Ge 2 Se 3непосредственно под верхним вольфрамовым электродом смешиваются во время осаждения и совместно образуют слой источника серебра. Слой SnSe находится между этими двумя слоями, обеспечивая, чтобы слой источника серебра не находился в прямом контакте с активным слоем. Поскольку серебро не мигрирует в активный слой при высоких температурах, а активный слой поддерживает высокую температуру стеклования около 350 ° C (662 ° F), устройство имеет значительно более высокие температуры обработки и рабочие температуры при 250 ° C (482 °). F) и, по меньшей мере, 150 ° C (302 ° F) соответственно. Эти температуры обработки и эксплуатации выше, чем у большинства типов ионно-проводящих халькогенидных устройств, включая стекла на основе S (например, GeS), которые должны быть фотодопированы или термически отожжены. Эти факторы позволяют устройству SDC работать в широком диапазоне температур,
Мемристоры остаются лабораторным любопытством, поскольку их пока недостаточно, чтобы получить какие-либо коммерческие применения. Несмотря на отсутствие массовой доступности, согласно данным Allied Market Research, рынок мемристоров в 2015 году стоил 3,2 млн долларов, а к 2022 году - 79,0 млн долларов.
Потенциальное применение мемристоров в аналоговой памяти для сверхпроводящих квантовых компьютеров.
Мемристоры потенциально могут быть преобразованы в энергонезависимую твердотельную память , которая может обеспечить большую плотность данных, чем жесткие диски со временем доступа, аналогичным DRAM , заменяя оба компонента. HP создала прототип запоминающего устройства с защелкой для перекладины, который может вмещать 100 гигабит на квадратный сантиметр, и предложила масштабируемый 3D-дизайн (состоящий из 1000 слоев или 1 петабита на см 3 ). [95] В мае 2008 года HP сообщила, что ее устройство в настоящее время достигает примерно одной десятой скорости DRAM. Сопротивление устройства будет считываться переменным током.так что сохраненное значение не будет затронуто В мае 2012 года было сообщено о том , что время доступа был улучшен до 90 наносекунд, что почти в сто раз быстрее , чем одновременные флэш - памяти. В то же время потребление энергии составляло всего один процент от потребления флэш-памяти.
Патенты Memristor включают приложения в программируемой логике , обработке сигналов , физических нейронных сетях , системах управления , реконфигурируемых вычислениях , интерфейсах мозг-компьютер , и RFID . Запоминающие устройства потенциально используются для логической импликации с сохранением состояния, что позволяет заменить логические вычисления на основе CMOS. Несколько ранних работ были зарегистрированы в этом направлении.
В 2009 году простая электронная схема , состоящая из LC-сети и мемристора, использовалась для моделирования экспериментов по адаптивному поведению одноклеточных организмов. Было показано, что под воздействием последовательности периодических импульсов схема запоминает и ожидает следующий импульс, подобный поведению слизистых плесеней Physarum polycephalum, где вязкость каналов в цитоплазме реагирует на периодические изменения среды. Применение таких схем может включать, например, распознавание образов . Проект DARPA SyNAPSE финансировался лабораториями HP в сотрудничестве с Бостонским университетом.Neuromorphics Lab, разрабатывает нейроморфные архитектуры, которые могут основываться на мемристивных системах. В 2010 году Версаче и Чендлер описали модель MoNETA (Модульный нейронный агент путешествий). MoNETA - первая крупномасштабная модель нейронной сети, в которой реализованы цельные мозговые схемы для питания виртуального и роботизированного агента с использованием аппаратного обеспечения памяти. Применение структуры перемычки мемристора при построении аналоговой системы мягких вычислений продемонстрировали Меррих-Баят и Шураки. В 2011 году они показали , как мемристорные ригели могут быть объединены с нечеткой логикой для создания аналогового мемристивного нейро-нечеткоговычислительная система с нечеткими входными и выходными клеммами. Обучение основано на создании нечетких отношений, основанных на правилах обучения иврита .
В 2013 году Леон Чуа опубликовал учебное пособие, в котором подчеркивается широкий спектр сложных явлений и приложений, охватывающих мемристоры, и способы их использования в качестве энергонезависимой аналоговой памяти и могут имитировать классические явления привыкания и обучения. [114]
аппаратная реализациия импульсной нейронной сети на основе мемристоров. Ключевыми элементами такой сети наряду с импульсными нейронами являются искусственные синаптические соединения, которые могут изменять силу (вес) связи между нейронами в ходе обучения. Мемристивные устройства на основе наноструктур «металл-оксид-металл», разработанных в НИФТИ ННГУ, подходят для этой цели, однако для их использования в конкретных импульсных нейросетевых архитектурах, разрабатываемых в Курчатовском институте, необходима демонстрация биологически правдоподобных принципов обучения.
Memistor и memtransistor являются транзистор на основе устройства , которые включают в себя функцию мемристорную.
В 2009 году Ди Вентра , Першин и Чуа расширили [115] понятие мемристивных систем на емкостные и индуктивные элементы в виде мемконденсаторов и меминдукторов, свойства которых зависят от состояния и истории системы, которые в 2013 году были расширены Ди Вентра и Першин. [21]
В сентябре 2014 года Мохамед-Салах Абделуахаб , Рене Лози и Леон Чуа опубликовали общую теорию мемристивных элементов 1-го, 2-го, 3-го и n-го порядка с использованием дробных производных . [116]
Говорят, что сэр Хэмфри Дэви выполнил первые эксперименты, которые можно объяснить эффектами мемристора, еще в 1808 году. [19] [117] Однако первым устройством подобного характера, которое было сконструировано, был мемистор (то есть резистор памяти ), термин, введенный в 1960 году Бернардом Уидроу для описания элемента схемы ранней искусственной нейронной сети под названием ADALINE . Несколько лет спустя, в 1968 году, Argall опубликовал статью, в которой демонстрировались эффекты переключения сопротивления TiO2, которые, как позже заявили исследователи из Hewlett Packard, свидетельствуют о наличии мемристора.
Леон Чуа постулировал свой новый двухконтактный элемент цепи в 1971 году. Он был охарактеризован как связь между зарядом и магнитной связью как четвертый элемент фундаментальной цепи. Пять лет спустя он и его ученик Сунг Мо Канг обобщили теорию мемристоров и мемристивных систем, включая свойство пересечения нуля на кривой Лиссажу, характеризующее поведение тока в зависимости от напряжения.
1 мая 2008 г. Струков, Снайдер, Стюарт и Уильямс опубликовали в « Nature» статью, в которой выявлена связь между двухполюсным поведением переключения сопротивления, обнаруженным в наноразмерных системах и мемристорах.
23 января 2009 года Ди Вентра , Першин и Чуа расширили понятие мемристивных систем на емкостные и индуктивные элементы, а именно конденсаторы и индукторы , свойства которых зависят от состояния и истории системы.
В июле 2014 года MeMOSat / LabOSat группа ( в составе исследователей из Национального университета генерал Сан - Мартин (Аргентина) , INTI, CNEA и CONICET ) устройств положить памяти на орбиту для их изучения на НОО . С тех пор семь миссий с различными устройствами выполняют эксперименты на низкой орбите, на борту Satellogic «ы NU-Сб спутников.
7 июля 2015 года компания Knowm Inc объявила о выпуске в продажу мемристоров Self Directed Channel (SDC). Эти устройства доступны в небольшом количестве.
13 июля 2018 года был запущен MemSat (Memristor Satellite) для управления полезной нагрузкой мемристора.
Физикам удалось с помощью пизасторов смоделировать интеллект слизистой плесени – ее способность учиться, забывать выученное и восстанавливать память при напоминании.
Поведение плесени Physarum polycephalum - Этот одноклеточный организм способен изобретать нетривиальные способы преодоления лабиринтов, разгадывать геометрические головоломки и даже быть частью простейшего киборга-робота. За одну из работ по плесени ее авторы даже получили Шнобелевскую премию в области когнитивных наук.
Слизистая плесень способна запоминать, чему ее учили, забывать уроки и восстанавливать память о них при напоминании. Японские ученые не только увидели это в эксперименте, но и построили модель. Тэцу Саигуса и Тосиюки Накагаки из японского Университета Хоккайдо поведали на страницах журнала Physical Reviews Letters, как обнаружили у слизи способность к обучению. Если три раза подряд каждый час на 10 минут снижать температуру и влажность, то еще через час клетка на 10 минут замрет в ожидании неблагоприятных условий – даже если на деле влажность и температура останутся оптимальными. Со временем плесень забывает, чему ее научили. Но стоит напомнить ей о неприятностях, опять понизив влажность и температуру, память вернется: часом позже плесень снова застынет в ожидании худшего, как профессиональный адвокат всегда готовится к худшему.
Physarum Polycephalum experimental maze solving (from Nakagaki et al. [17])
Наличие у плесени памяти не было совсем уж неожиданным. Прежние эксперименты с лабиринтами показывали, что плесень на каждой новой развилке помнит, в какую сторону поворачивали ее отростки на предыдущих. Удивила ученых именно способность учиться, забывать и восстанавливать память по напоминанию. Японцы выдвинули гипотезу, которая объясняла происходящее. Согласно ей, в гигантской клетке Physarum polycephalum есть огромное множество разнообразных биохимических «будильников Кашпировского» с самыми разнообразными периодами. Какие-то будильники ускоряют движение плесени, какие-то – замедляют его. Но поскольку все они идут в разнобой, то ползет клетка с более или менее постоянной скоростью.
Но когда внешние условия меняются, те процессы, что ускоряли движение, отключаются: на них в холоде и сухости тратится слишком много ресурсов. В организме активными остаются лишь те будильники, что замедляют ход. Это состояние некоторое время сохраняется, и ход слизь замедляет независимо от того, наносит ли судьба удары. А потом опять следует сеанс Кашпировского, и через некоторое время плесень забывает заданный ритм. У этой гипотезы есть один существенный недостаток: она не объясняет, как плесень восстанавливает забытый ритм, когда ей напомнят изменением условий.
Принципиально новая имитационная модель плесени представляет собой электрическую схему, которую вы даже можете спаять при наличии одного экзотического элемента – пизастора. У вас будет только одна проблема – где достать этот самый пизастор. В остальном же эта схема представляет собой последовательный колебательный контур с потерями. Почему именно контур? Дело в том, что в схеме нужен был источник колебаний. От резистора никуда не денешься, поскольку в реальном мире у всех элементов есть активное сопротивление. Пизастор был подключен параллельно конденсатору, так как иное включение ничего не дало или делало модель не адекватной реальному поведению плесени. Параметры схемы были оптимизированы и подогнаны под поведение реальной плесени.
Рис. Схема электрической модели интеллекта плесени Physarum polycephalum (A) и ее поведение в случае нерегулярных (B) и регулярных (C) изменений внешних условий (Pershin et al, 2008, аrхiv.оrg)
У пизастора два основных состояния – с высокой проводимостью и с низкой. Перевести его из одного состояния в другое способно приложенное напряжение, что эквивалентно изменению внешних условий для развития плесени – температуры и влажности. Положительное напряжение означает благоприятные условия, отрицательное – неблагоприятные. Отклик системы – скорость, с которой ползет слизь в модели – напряжение на пизасторе. Если подать на вход схемы единичный отрицательный импульс – поместить плесень в неблагоприятные условия, схема откликнется быстрозатухающими колебаниями с периодом, который определяется параметры LC-контура. При этом проводимость пизастора самая высокая. Но когда на входе оказывается серия импульсов, период которых примерно равен периоду свободных колебаний контура, как в какой-то момент напряжение на пизасторе достигает порогового значения, и он быстро переходит в состояние с большим сопротивлением. Так и плесень запоминает серию неблагоприятных впечатлений. Колебания в запомнившей заряд схеме затухают гораздо медленнее.
Стоит лишь «напомнить» схеме еще одним отрицательным импульсом, как она тут же откликнется серией медленно затухающих колебаний – «вспомнит» то, чему ее учили. Притом память оказывается очень долгой – она восстановится и через сотню периодов колебаний LC-контура. У плесени память более короткая.
Конечно, это всего лишь модель. Как конкретно устроена память настоящей плесени, пока неизвестно. Не ясно, что в этой клетке задает ритм, как он запоминает сигналы, и что заставляет его забывать их. Однако общие сведения о физиологии плесени позволяют предположить, что роль пизастора играет система каналов, транспортирующих клеточную жидкость внутри эластичной оболочки. Движение миксамебы – это именно постоянное переливание внутриклеточной жидкости вперед-назад с небольшим перевесом потока вперед. Непрерывные вибрации актин-миозиновых белковых волокон создают перепад давления, который толкает жидкость. Сами же волокна соединены с оболочкой клетки, а на нее уже действует трение о поверхность, по которой ползет миксамеба. В итоге сила трения частично уравновешивает реакцию волокон на движение жидкости, и клетка в целом продвигается вперед. Жидкость в клетке присутствует в виде экто- и эндоплазмы. У первой вязкость больше, чем у второй, и эндоплазма пробирается через каналы в эктоплазме, как ртуть через стекло. Но когда давление на эктоплазму в каком-то месте превышает пороговое значение, ее вязкость резко падает – можно сказать, что в эктоплазме открывается еще один канал. Понятно, что чем больше каналов открыто, тем быстрее может двигаться миксамеба. А количество открытых каналов в итоге определяет история движения – ровно так, как сопротивление пизастора определяет история напряжения на его контактах. Кстати, если проникнуться физикой работы пизастора, можно заметить глубокое сходство двух моделей.
резистор ,
продолжение следует...
Часть 1 Мемристор (Пизастор ) теория и реализация четвёртый пассивный элемент электротехники
Часть 2 4. Реализации мемристра - Мемристор (Пизастор ) теория и реализация
Часть 3 - Мемристор (Пизастор ) теория и реализация четвёртый пассивный элемент
резистор , переменный резистор , подстроечный резистор , варистор ,
электрический конденсатор , конденсатор , конденсаторы , переменный конденсатор ,
катушка индуктивности , индуктивность , виды индуктивностей , характеристики индуктивности ,
NOMFET
Органический полевой транзистор
Исследование, описанное в статье про мемристор , подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое мемристор , пизастор, четвёртый пассивный элемент электротехники и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база