آینده هوش مصنوعی لبه: دستگاه سیناپسی با سلول خورشیدی رنگی

هوش مصنوعی و پیش‌بینی رویدادهای اضطراری

هوش مصنوعی (AI) به طور فزاینده‌ای در پیش‌بینی رویدادهای اضطراری مانند حملات قلبی، بلایای طبیعی و خرابی‌های خطوط لوله مفید واقع می‌شود. این امر نیازمند فناوری‌های پیشرفته‌ای است که بتوانند داده‌ها را به سرعت پردازش کنند. در این راستا، محاسبات مخزن که به‌طور خاص برای پردازش داده‌های سری زمانی با مصرف انرژی پایین طراحی شده، گزینه‌ای امیدوارکننده به شمار می‌آید.

محاسبات مخزن فیزیکی و سیناپس‌های مصنوعی نوری

محاسبات مخزن فیزیکی (PRC) یکی از محبوب‌ترین چارچوب‌ها در این زمینه است. PRC با سیناپس‌های مصنوعی نوری که ساختارهای اتصالی هستند و اجازه می‌دهند یک سلول عصبی سیگنال الکتریکی یا شیمیایی را به سلول دیگر منتقل کند، انتظار می‌رود قابلیت‌های شناسایی و پردازش در زمان واقعی بی‌نظیری مشابه با سیستم بینایی انسان داشته باشد. با این حال، PRC مبتنی بر دستگاه‌های سیناپسی نوری خود-تأمین که در حال حاضر وجود دارند، نمی‌تواند داده‌های سری زمانی را در مقیاس‌های زمانی مختلف، که در سیگنال‌های نظارت بر زیرساخت‌ها، محیط طبیعی و شرایط بهداشتی وجود دارد، پردازش کند.

دستگاه سیناپسی نوری جدید

در یک پیشرفت اخیر، تیمی از محققان دپارتمان الکترونیک کاربردی، دانشکده مهندسی پیشرفته، دانشگاه علوم توکیو (TUS) به رهبری استاد همکار تاکاشی ایکونو و شامل آقای هیروآکی کوماتسو و خانم نوریگا هوسودا، موفق به ساخت یک سیناپس نوری انسانی مبتنی بر سلول خورشیدی رنگ‌زده خود-تأمین شده‌اند. این سیناپس دارای یک زمان ثابت است که می‌تواند با شدت نور ورودی کنترل شود. مطالعه آن‌ها در تاریخ 28 اکتبر 2024 به صورت آنلاین در مجله ACS Applied Materials & Interfaces منتشر شد.

انگیزه تحقیق

دکتر ایکونو در توضیح انگیزه پشت این تحقیق می‌گوید: “برای پردازش داده‌های نوری ورودی سری زمانی با مقیاس‌های زمانی مختلف، ضروری است که دستگاه‌هایی مطابق با مقیاس زمانی مورد نظر ساخته شوند. با الهام از پدیده تصویر باقی‌مانده در چشم، ما به یک دستگاه سیناپسی نوری انسانی جدید دست یافتیم که می‌تواند به عنوان یک چارچوب محاسباتی برای حسگرهای نوری AI لبه‌ای با صرفه‌جویی در انرژی عمل کند.”

دستگاه مبتنی بر سلول‌های خورشیدی و کاربردهای آن

دستگاه مبتنی بر سلول‌های خورشیدی از رنگدانه‌های مشتق شده از اسکوارلیوم استفاده می‌کند و شامل ورودی نوری، محاسبات هوش مصنوعی، خروجی آنالوگ و عملکردهای تأمین انرژی در سطح مواد است. این دستگاه در پاسخ به شدت نور، خاصیت پلاستیسیته سیناپسی را نشان می‌دهد و ویژگی‌های سیناپسی مانند تسهیل و افسردگی پالس‌های جفتی را به نمایش می‌گذارد.

محققان نشان داده‌اند که تنظیم شدت نور منجر به عملکرد محاسباتی بالا در وظایف پردازش داده‌های سری زمانی می‌شود، بدون توجه به عرض پالس نوری ورودی. علاوه بر این، زمانی که این دستگاه به عنوان لایه مخزن PRC استفاده شد، توانست حرکات انسانی مانند خم شدن، پرش، دویدن و راه رفتن را با دقت بیش از 90 درصد طبقه‌بندی کند. همچنین، مصرف انرژی آن تنها 1 درصد از مصرف انرژی سیستم‌های متداول بود که به طور قابل توجهی انتشار کربن مرتبط را کاهش می‌دهد.

دکتر ایکونو تأکید می‌کند: “ما برای اولین بار در جهان نشان داده‌ایم که دستگاه توسعه یافته می‌تواند با مصرف انرژی بسیار کم عمل کند و در عین حال حرکات انسانی را با دقت بالا شناسایی کند.” به‌ویژه، این دستگاه راهی جدید برای تحقق حسگرهای هوش مصنوعی لبه‌ای برای مقیاس‌های زمانی مختلف باز می‌کند، با کاربردهایی در دوربین‌های نظارتی، دوربین‌های خودرو و نظارت بر سلامت.

به گفته دکتر ایکونو، “این اختراع می‌تواند به عنوان یک حسگر نوری هوش مصنوعی لبه‌ای بسیار محبوب استفاده شود که می‌تواند به هر شیء یا فردی متصل شود و بر هزینه‌های مرتبط با مصرف انرژی تأثیر بگذارد، مانند دوربین‌های نصب شده بر روی خودرو و کامپیوترهای نصب شده بر روی خودرو.” او اضافه می‌کند: “این دستگاه می‌تواند به عنوان حسگری عمل کند که می‌تواند حرکات انسانی را با مصرف انرژی کم شناسایی کند و در نتیجه پتانسیل بهبود مصرف انرژی وسایل نقلیه را دارد. همچنین انتظار می‌رود به عنوان یک حسگر نوری با مصرف انرژی کم در ساعت‌های هوشمند مستقل و دستگاه‌های پزشکی استفاده شود که به طور قابل توجهی هزینه‌های آن‌ها را کاهش می‌دهد تا با هزینه‌های دستگاه‌های پزشکی فعلی قابل مقایسه یا حتی کمتر باشد.”

در پایان، این دستگاه نوآورانه مبتنی بر سلول‌های خورشیدی پتانسیل تسریع توسعه حسگرهای هوش مصنوعی لبه‌ای با کارایی انرژی بالا و کاربردهای متنوع را دارد.