Nederlandse onderzoekers zeggen ’s werelds eerste bruikbare ‘memristor’ te hebben ontwikkeld, een schakelelement waarvan je de elektrische weerstand elektrisch kunt instellen. Ze willen hem gebruiken als synaps in een kunstmatig brein, schrijven ze in Nature Materials.

Het onderzoek had plaats aan de Stanford-universiteit in de VS, onder leiding van Alberto Salleo. Maar eeste auteur Yoeri van de Burgt promoveerde aan de TU/e en is daar inmiddels aangesteld als universitair docent, terwijl tweede auteur Ewout Lubberman op Stanford zijn masterstudie materiaaltechnologie aan de RUG afrondde.

De weerstand van zo’n memristor kun je instellen met een elektrisch of magnetisch veld. Valt dat veld weg, dan houdt hij de laatste weerstandswaarde vast. In theorie heb je zo dus een geheugenelement dat een groot aantal gradaties tussen ‘ja’ of ‘nee’ kan opslaan. Lange tijd gold het idee als principieel onrealiseerbaar. Sinds 2007 zijn een paar memristors op basis van dunnefilmtechnieken gepresenteerd die het een beetje deden, maar perfect was anders.

Van de Burgt en Lubberman gooien het over een andere boeg. Hun electrochemical neuromorphic organic device (ENODe) bestaat uit drie polymeerlaagjes. De bovenste laag, omschreven als presynaptische elektrode, is van poly-3,4-etheendioxythiofeen:polystyreensulfonaat (PEDOT:PSS), een geleidend polymeer. De postsynaptische elektrode onderop bestaat eveneens uit PEDOT:PSS, maar dan vermengd met polyetheenimine (PEI) dat er H⁺ aan onttrekt.

De middelste laag dient als elektrolyt: hij bestaat uit Nafion, een polymeer dat alleen protonen doorlaat en geen elektronen, en daarom populair is als membraan in brandstofcellen.

Leg je over de elektrodes een potentiaalverschil aan, dan zullen protonen van de ene naar de andere elektrode migreren. Vanwege de ladingsneutraliteit gaan er ook elektronen mee, maar die kunnen niet door het Nafion en moeten buitenom via het elektrische circuit.

Als de protonen richting postsynaptische elektrode gaan, dan vervangen die de exemplaren die door PEI aan PEDOT:PSS zijn onttrokken. Daardoor neemt de weerstand van dat materiaal toe. Keer je het potentiaalverschil om, dan worden de protonen er weer uit gezogen en neemt de weerstand weer af.

Onderbreek je het elektrische circuit, dan kunnen ook de protonen niet meer weg uit de elektrode waarin ze op dat moment zitten. Er kunnen immers geen elektronen mee.

Het mooie is dat je de weerstand in kleine stapjes kunt verhogen door het potentiaalverschil toe te dienen in de vorm van korte pulsjes. Het is al gelukt om in 500 stapjes van het minimale naar het maximale niveau te gaan: in principe kun je die dus als 500 verschillende waarden in de ENODe opslaan. De ruis is daarbij zo gering dat je ze ook alle 500 van elkaar kan onderscheiden. Bovendien vraagt het schakelen uiterst weinig energie.

De auteurs hebben om te beginnen een paar ENODe’s verwerkt in een kunstmatige pavlovreactie waarbij de output (zeg maar het kwijlen van de hond) steeds sterker wordt getriggerd door een input die symbool staat voor een rinkelend belletje. Daarna hebben ze met succes een wat groter aantal ENODe’s verwerkt in een lerend neuraal netwerkje.

In Eindhoven hoopt Van de Burgt het onderzoek voort te zetten door veel grotere neurale netwerken te bouwen met duizenden ENODe’s. Lubberman doet even niet meer aan wetenschap: hij zet zijn rekentalent momenteel in voor een risico-investeerder.

bron: TU/e