​Российские физики предложили новый метод запоминания и распознавания образов в импульсной нейронной сети. Он позволит выполнять сложные логические и когнитивные задачи при помощи устройств малого размера с небольшим количеством нейронов. Исследование, выполненное при поддержке гранта РНФ, опубликовано в журнале Electronics.

Искусственные нейронные сети, которые используются при решении задач машинного обучения, строятся по тем же принципам, что и сети нервных клеток в живом организме. Запоминание и распознавание информации в них происходит за счет передачи сигналов между отдельными нейронами системы. Обычно нейронные сети реализуются программно, но могут состоять и из физических устройств, среди которых наиболее распространены осцилляторные, то есть колебательные. В них ритмически меняются показатели каждого нейрона, например электрическое сопротивление.

В новом исследовании ученые в качестве модельных объектов использовали сети из нескольких нейронов-осцилляторов на базе электрических переключателей из диоксида ванадия. Характеристики этих устройств меняются под воздействием температуры, что позволяет управлять системой. Через подложку, на которой находятся переключатели, распространяется тепло. Каждый нейрон под его воздействием генерирует собственные импульсы, и следующий переключатель, получая сигнал, переходит из открытого состояния в закрытое или наоборот. Этот термический тип связи между нейронами — запатентованная разработка авторов исследования.

Переключения каждого нейрона происходят на определенной частоте, и со временем частоты разных осцилляторов синхронизируются. Состояние системы, при котором это происходит, называется синхронным, и каждое такое состояние может быть использовано для обучения сети. Для этого информацию переводят в векторную форму. Объекты для запоминания описывают по нескольким признакам: размеру, форме, массе, компонентам цвета, скорости движения и так далее. Со значением каждого признака сопоставляются координаты вектора. Например, если описывать объекты по их цветам в модели RGB (Red, Green, Blue), то вектору с координатами (150, 31, 200) будет соответствовать один конкретный цвет — между фиолетовым и лиловым. Каждый вектор соответствует параметрам системы в одном из синхронных состояний. При обучении нейронная сеть запоминает несколько различных векторов. И если после обучения при вводе тестового вектора система возвращается к наиболее близкому из ранее запомненных синхронных состояний, происходит распознавание.

Основой для метода стала обнаруженная физиками частичная синхронизация системы, или синхронизация на субгармониках. Выяснилось, что колебания разных нейронов в сети синхронизируются не только на основной частоте, но и на частотах, равных ее кратным долям. Если учитывать эти субгармоники, частотная область синхронизации значительно расширяется, а число возможных синхронных состояний многократно возрастает. Удалось смоделировать достижение 260 состояний синхронизации для системы из двух осцилляторов и 650 — из трех. Каждое из них потенциально может быть использовано для запоминания и распознавания информации.

Увеличение числа синхронных состояний за счет субгармоник называется эффектом синхронизации высокого порядка. Каждый нейрон при этом имеет несколько синхронных состояний. Так, осцилляторная сеть даже из малого количества составляющих может выполнять сложные операции, к примеру: распознавать речь, изображения и видео, решать задачи прогнозирования, оптимизации и управления.

«В ряде наших исследований начата разработка методик обучения подобных нейронных сетей и показана их реальная работа в качестве устройств распознавания образов, — отмечает ведущий научный сотрудник Петрозаводского государственного университета Андрей Величко. — В перспективе на основе этих сетей могут быть созданы компактные нейросетевые чипы с наноразмерными осцилляторами. Хотя в своих исследованиях мы использовали только один модельный объект, термически связанные осцилляторы на основе диоксида ванадия, разработанный метод является достаточно общим. Закономерности, которые мы выявили, фундаментальны и могут применяться в исследованиях осцилляторных сетей с различными механизмами и топологией связей нейронов. Мы надеемся на сотрудничество с другими российскими и зарубежными научными группами».

Похожие новости

  • 05/09/2017

    Терагерцовый лазер помог изучить нагревание кристаллов

    ​Ученые исследовали тепловые и световые искажения в кристалле при его взаимодействии с высокочастотным терагерцовым излучением. В результате было установлено, как в кристалле изменяется температура. Работа опубликована в журнале Laser Physics Letters.
    640
  • 15/01/2018

    Российские ученые выяснили, как способ обработки полипропилена влияет на механические свойства конечного изделия

    ​Коллектив учёных, в том числе из Института синтетических полимерных материалов РАН и МФТИ, выяснил, как «правильность» молекул полипропилена и способ обработки влияют на механические свойства конечного изделия.
    554
  • 19/12/2017

    Российские ученые описали новый тип поведения нейронов

    ​Российские ученые исследовали сложный режим поведения нервных клеток с помощью новой математической модели, в которой учитываются случайные внешние воздействия на нейроны. Результаты исследования и предложенная модель могут быть полезны для более точных предсказаний реакции нейронов на разнообразные стимулы, в том числе на лекарственные препараты.
    336
  • 04/08/2017

    Новосибирские ученые исследуют новые типы волоконных лазеров для линий связи

    Ученые НГУ, выигравшие грант Российского научного фонда (РНФ), намерены создать новый тип волоконных лазеров для высокоскоростных линий связи. Успешная реализация проекта позволит применить разработанные лазеры в качестве задающих источников информационного сигнала в телекоммуникационных системах на основе суперканалов.
    1142
  • 20/08/2018

    Учеными созданы железные спирали тоньше человеческого волоса

    ​Исследователи СПбГУ смогли синтезировать микроспирали соединений железа диаметром около 12 микрон - почти в десять раз тоньше человеческого волоса. Их можно будет использовать, например, для создания сенсоров с высокой чувствительностью, а также в качестве миниатюрных электромагнитов или индукторов.
    248
  • 25/04/2018

    Наночастицы помогут разглядеть белки при экстремально высоких температурах

    ​Российские ученые создали многофункциональное наноустройство из диэлектрических наночастиц на металлической подложке. С его помощью можно определять температуру и состояние окружающих молекул.
    340
  • 28/09/2018

    Физики обнаружили новый механизм генерации звука в жидкой комплексной плазме

    ​Физики из МГТУ имени Н.Э. Баумана совместно с российскими и зарубежными коллегами впервые исследовали термоакустическую неустойчивость, приводящую к генерации звука в жидкой комплексной плазме. Результаты показывают, что это новая неустойчивость в комплексной плазме, и аналогичные неустойчивости могут существовать во многих открытых и химически реактивных системах.
    199
  • 09/01/2018

    Томские радиофизики разрабатывают новый метод ультразвуковой 3D-печати

    Радиофизики ТГУ создали установку для левитации мелких частиц, в частности, пенопласта, в акустическом поле. На основе этой технологии к 2020 году они должны разработать новый метод ультразвуковой 3D-печати, который может быть применим для химически агрессивных растворов или веществ, разогретых до высоких температур.
    506
  • 31/07/2018

    Пирамида Хеопса может концентрировать радиоволны

    ​Пирамида Хеопса может концентрировать электромагнитную энергию во внутренних камерах и фокусировать ее в пространство под своим основанием. К такому выводу пришли ученые, воздействовавшие на пирамиду радиоволнами, чтобы исследовать ее резонансный электромагнитный отклик.
    532
  • 05/03/2018

    ​Ученые ТГУ создали алгоритм для расчета фотофизических и люминесцентных характеристик молекул

    ​Ученые кафедры оптики и спектроскопии физического факультета ТГУ с коллегами из Швеции и Финляндии создали алгоритм для расчета фотофизических и люминесцентных характеристик молекул. Благодаря этому алгоритму можно вычислять оптические, люминесцентные (светимость, квантовый выход флуоресценции) свойства молекул и веществ с использованием высокоточных методов квантовой химии.
    571