発表のポイント

• 神経の動作を模倣した電子素子（以下、「神経模倣素子^（注1）」と呼ぶ）の応答速度の決定要因を明らかにした
• 上記の知見に基づき、神経模倣動作をモデル化する方法を見出した
• この成果は脳型コンピュータへの応用などの波及効果が期待される

概要

脳のすぐれた情報処理能力を人工的に実現することを目的とした「ニューロコンピューティング」の研究が、ソフトウェア、ハードウェアの両面から盛んに行われています。ハードウェアの面では、脳の神経回路を構成するシナプスの動作を模倣した「神経模倣素子」の研究が注目を集めています。東北大学の山本俊介助教（大学院工学研究科応用化学専攻）と英国ケンブリッジ大学のGeorge G. Malliaras教授らは、導電性高分子を用いた神経模倣素子の高性能化と動作原理解明を目指して研究を行いました。その結果、神経模倣素子の応答は素子内のイオンの動きに支配されることが分かりました。これは神経模倣素子の設計方針の構築に寄与するだけでなく、今なお不明な点が多い動作原理の解明にも役立つ成果です。本研究の成果は、脳の動作を模倣した新型コンピュータの応用研究につながることが期待されます。

本研究は本学が推進する「若手リーダー研究者海外派遣プログラム」を活用した在外研究(2018~2019年度)による成果です。

本成果は2022年1月13日（ドイツ時間）にドイツWILEY-VCHの科学誌「Advanced Electronic Materials」誌でオンライン公開されました。

詳細な説明

脳の持つすぐれた情報処理能力を人工的に実現することを目的とした、「ニューロコンピューティング」の研究が、ソフトウェア、ハードウェアの両面から盛んに行われています。ハードウェアの面では、脳の神経回路を構成するシナプスの動作を模倣した、「神経模倣素子」の研究が注目を集めています。

本研究グループは中でも導電性高分子を用いた電気化学トランジスタ^（注2）という電子素子に注目し、これを神経模倣素子として駆動させることを目指してきました。この素子は電子とイオンの二種類の電気伝導を巧みに組み合わせて動作させる素子であり、身に着けて用いるウエアラブル機器への応用が期待されています。以上のように優れた特長を有する電気化学トランジスタ型の神経模倣素子ですが、その動作原理は必ずしも明らかではありませんでした。本研究グループはこれまでに、イオン伝導性高分子を添加することで応答速度を制御することに成功しました^*が、「この方法がなぜうまくいくのか？」は明らかではなく、「望みの応答を得るにはどのような設計にすればよいか？」に十分に答えることができませんでした。

そこで今回の研究では、電解質として用いるイオンの種類や膜の架橋度などを変えた一連の物性評価によって電気化学トランジスタのイオン注入（ゲート）および出力信号（ドレイン）それぞれの過渡的な応答を測定しました。その結果、用いるイオンのサイズによってイオン注入の速度が変化することを見出し、さらに全体の応答速度がイオン注入速度に支配されていることを明らかにしました。これらの実験事実に基づいて神経模倣動作のモデル化を試み、望みの応答を得るための条件を明らかにする「地図」（図２）を作成することに成功しました。このように本研究では、神経模倣素子の応答速度を自在に制御するための設計指針の確立に成功しました。今後はさらなる高性能・高機能化を目指した材料開発と、素子を複数組み合わせた回路網の構築に向けた応用研究の両面から研究展開が期待されます。

*「高分子を用いた神経模倣素子の応答速度制御に成功 『神経のような動き』をする電子部品の実用化に向けて」
2020年6月24日 東北大学プレスリリース
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2020/06/press20200624-01-kobunshi.html

用語解説