Химики научат гель узнавать цифры

Химики научат гель узнавать цифры

Химики из Университета Питтсбурга разработали метод распознавания изображений с помощью колебаний кусочков гелей. Он не требует использования компьютера или источников электроэнергии. Метод основан на нейросети, построенной на обратной связи в колебательной химической реакции, известной как реакция Белоусова—Жаботинского. В теоретическом описании работы авторы рассказали, как должна быть устроена распознающая система и описали, какие материалы должны быть в ней использованы. Продемонстрировать работоспособность метода удалось на компьютерных моделях с изображениями цифр от нуля до девяти. Исследование опубликовано в журнале , кратко о нем сообщают пресс-релиз университета и портал Geektimes.

Колебательные процессы, которые лежат в основе нового метода, основаны на реакции Белоусова—Жаботинского. Это один из редких примеров, когда химическая реакция ведет себя подобно маятнику: концентрация одного из реагентов меняется по синусоиде до тех пор пока реакция не прекратится. В классическом варианте этого эксперимента химики смешивают органическое вещество, окисляемое в реакции (обычно, лимонная или малоновая кислота), окислитель (бромат калия) и ускоряющий эти процессы катализатор (соль трехвалентного церия). В результате последовательности из нескольких десятков химических реакций в каждый цикл происходит окисление катализатора, замедление реакции и восстановление катализатора. Из-за того, что окисленная форма церия (Ce4+) окрашена, можно заметить колебания окраски в ходе реакции. Иногда, для наглядности, к смеси добавляют специальные окрашенные индикаторы. Химики научат гель узнавать цифры

Из-за своего необычного поведения, реакция привлекает внимание химиков и за 65 лет с момента открытия вышло огромное количество статей, посвященных ее изучению. Так, химики выяснили, что в некоторых условиях можно конвертировать энергию химической реакции в механические колебания. Для этого необходимо модифицировать катализатор реакции (химические превращения которого и являются колебательным процессом). Ученые заменили церий на рутений и встроили его в полимерный гель, который затем погрузили в раствор реагентов. Окисление рутения изменяло гидрофильные и, впоследствии, механические свойства геля — материал менял форму, восстановление возвращало эти свойства в исходное состояние. 

Колебания формы и размеров геля влияют на локальную концентрацию катализатора — так, сжатие геля должно ее повышать, тем самым ускоряя реакцию в момент сжатия. Это в свою очередь должно сказаться на частоте колебаний геля, вызванных химическими превращениями. В 2012 году химики из университета Питтсбурга и MIT показали, что внешним давлением можно даже инициировать реакцию Белоусова-—Жаботинского в среде с небольшим количеством реагентов, а ранее, в 2009 году, на основе этого эффекта ученые создали «шагающий гель». Подобная обратная связь делает «гель Белоусова—Жаботинского» контролируемой, но очень сложной системой. 

Авторы новой работы обратили внимание на концепцию создания нейронных сетей с помощью осциллирующих (колеблющихся) систем. Каждый элемент нейронной сети определенным образом взаимодействует с соседями — выстроив эти связи определенным образом, можно научить сеть преобразовывать входящую в нее информацию, например, распознавая в ней образы. Химики предложили использовать в роли «нейронов» небольшие кусочки геля с рутениевым катализатором. 

Роль связей между нейронами досталась миллиметровым пьезоэлектрическим пластинкам. При изгибе, вызванном изменением формы геля, эти пластинки генерируют разность потенциалов. Вместе с тем, если приложить к пластинкам напряжение, они сами изогнутся, деформировав гель. Если объединить два кусочка геля с двумя пластинками в единую электрическую цепь, то колебания первого гелевого «нейрона» будут влиять на колебания второго через напряжение, создаваемое пьезоэлектриком в цепи — оно будет влиять на поведение второй пьезоэлектрической пластинки. В результате, со временем колебания нейронов окажутся синхронизированными. Химики научат гель узнавать цифры

Для создания нейросети из 60 «нейронов» авторы предложили соединить последовательно все пьезоэлектрические пластинки. Связь между соседними нейронами определялась тем, в каком порядке подключены условные «плюс» и «минус» пластинок (авторы предлагают применять пластинки из двух разных, скрепленных между собой пьезоэлектриков). Если порядок соединения был «плюс-минус-плюс-минус», то фрагменты геля стремились колебаться синхронно, а если «плюс-минус-минус-плюс», то в противофазе. С помощью таких связей авторы предложили кодировать в сети изображения цифр.  Химики научат гель узнавать цифры

Эксперимент по распознаванию авторы смоделировали теоретически. Он устроен следующим образом. В первый момент времени 60 «нейронов» погружают в раствор с реагентами (окислителем и восстановителем) и с помощью внешнего воздействия (светового, термического или механического) задают каждому из них начальную фазу колебания. Затем включается обратная связь между «нейронами», которая пытается преобразовать колебания кусочков геля в заложенные в нейросети. Ключевым для распознавания параметром является время полного преобразования колебаний. Химики научат гель узнавать цифры

Из-за некоторых ограничений (связь в сети может иметь значения только «+1» и «–1») каждая нейросеть пыталась распознать в предлагаемых ей данных только одну конкретную цифру. Поэтому для распознавания одного и того же искаженного изображения единицы потребуется провести эксперимент с десятью нейросетями («0»-«9»). Итогом распознавания будет число соответствующее той сети «нейронов», которая справилась с полным преобразованием колебаний первой. В качестве параметра степени сходства (DoM) выступает время преобразования.  Химики научат гель узнавать цифры Химики научат гель узнавать цифры

Авторы отмечают, что предложенная система полностью автономна от внешних источников энергии — для ее работы требуются лишь реагенты реакции Белоусова—Жаботинского. Химическая энергия трансформируется и в механические колебания и в электрический ток, управляющий синхронностью системы. Благодаря этому подобные нейронные сети могут найти применение в мягких сенсорных тканях роботов или других устройств. Главным минусом нейросети на «геле Белоусова—Жаботинского» будет ее медлительность — в модели распознавание происходит примерно за минуту.

Для создания смоделированной нейронной сети существуют все необходимые технологии. К примеру, уже были описаны устройства,сочетающие в себе полимерные материалы и пьезоэлектрические актуаторы. 

Реакция Белоусова—Жаботинского имеет несколько аналогов. Самым удобным из них, с точки зрения эксперимента, является эксперимент с «иодными часами», реакцией Бриггса — Раушера. Вместо бромата калия в ней используется подкисленная перекись водорода и иодноватая кислота, вместо церия — соли марганца (II), а в качестве красящего вещества — крахмал, образующий комплекс с иодом.

.