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29.05.2012 | Automobil + Motoren | Nachricht | Onlineartikel

Kieler Wissenschaftler trainieren elektronischen "Pavlov'schen Hund"

Autor:
Caterina Schröder
3 Min. Lesedauer

Der Pavlov'sche Hund gilt als Meilenstein bei der Erforschung von reflexartigen oder impliziten Lernvorgängen. Wissenschaftlern der Technischen Fakultät ist es jetzt gemeinsam mit Gedächtnisforschern an der Christian-Albrechts Universität zu Kiel (CAU) sowie dem Forschungszentrum Jülich gelungen, mithilfe spezieller Bauelemente das Verhalten des Pavlov'schen Hundes elektronisch nachzubilden. Die Arbeit "An Electronic Version of Pavlov's Dog" ist in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials (huwp 2012) veröffentlicht.

Interessant ist diese Forschung vor dem Hintergrund, dass http://www.atzonline.de/index.php?q=neuronales+Netz&do=search&lng=de&site=a4e&filter=a4elangsam in den Fokus der Elektronikentwickler rücken. Sie sollen die Grenzen der digitale Informationsverarbeitung, die trotz ihrer extrem hohen Geschwindigkeit Schwächen bei der Muster- und Spracherkennung aufzeigen, erweitern. Denn neuronalen Netzen wird - zumindest ansatzweise - das Potenzial nachgesagt, Lernvorgänge nachbilden zu können.

Im Falle des "elektronischen Pavlov'schen Hundes"  ist es den Wissenschaftlern der CAU und des Forschungszentrums Jülich gelungen, das klassische Experiment aus der Verhaltenspsychologie elektronisch nachzubilden. "Dabei haben wir mit memristiven Bauelementen das assoziative Verhalten des Pavlov'schen Hundes in einer elektronischen Schaltung umgesetzt", erklärt Professor Hermann Kohlstedt, Leiter der Arbeitsgruppe Nanoelektronik an der CAU.

Memristoren sind eine Klasse elektronischer Bauelemente, die der Wissenschaft erst seit wenigen Jahren in hoher Qualität zur Verfügung stehen. Sie haben eine Art Gedächtnis für ihre früheren Widerstandswerte, was Einfluss auf die charakteristischen Eigenschaften des Materials hat. Forscher versuchen diese Gedächtnisfunktion zu nutzen, um Netzwerke aufzubauen, die denen der neuronalen Verbindung über Synapsen ähneln. "Unser langfristiges Ziel ist es, die synaptische Plastizität auf elektronische Schaltungen zu übertragen und damit sogar kognitive Fähigkeiten elektronisch nachzubilden", erklärt Kohlstedt.

Für das Projekt wurden zwei Spannungsimpulse über einen Memristor an einen Komparator gekoppelt, die repräsentativ das Futter und den Glockenton des Pavlov'schen Experiments darstellten. Ein Komparator ist ein Schwellenwertgeber, der nur dann ein Ausgangssignal (stellvertretend für den Speichelfluss des Hundes) erzeugt, wenn der Schwellenwert erreicht wird. Darüber hinaus hat der Memristor ebenfalls einen Spannungsschwellenwert, der über die physikalischen und chemischen Prozesse im nanoelektronischen Memristor definiert ist. Unterhalb des Schwellenwertes verhält sich das Bauelement wie ein herkömmlicher linearer Widerstand. Wird jedoch die Schwellenwertspannung überschritten, so zeigt es eine hysteretische (veränderte) Strom-Spannungs-Kennlinie.

"Bei der Umsetzung des Experiments führte zunächst nur der Spannungsimpuls 1 (Futter) zu einem Ausgangssignal des Komparators, was als Speichelfluss definiert werden kann. Den anderen Spannungsimpuls 2 (Glocke) haben wir so gewählt, dass der Komparatorausgang keine Änderung zeigte, also im übertragenden Sinne keinen Speichelfluss hervorrief", sagt der CAU-Wissenschaftler Dr. Martin Ziegler, Erstautor der Publikation. Als dann beide Spannungsimpulse zeitgleich auf den Memristor gegeben wurden, wurde ein Überschreiten des Schwellenwertes beobachtet. So hat die Arbeitsgruppe die memristive Gedächtnisfunktion aktiviert. Nach mehrmaligen Wiederholungen führte dies zu einem assoziativen Lernprozess der Schaltung. "Danach nämlich reichte es aus, nur den Spannungsimpuls 2 (Glockenton) anzulegen, und der Komparator erzeugt ein Ausgangssignal, gleichbedeutend mit Speichelfluss", freut sich Ziegler über das Ergebnis. Der Spannungsimpuls 1 (Futter) erzeugt dieselbe Reaktion wie vor dem Lernen. Die elektronische Schaltung zeigte ein Verhalten, das in der Psychologie als klassische Konditionierung bezeichnet wird. Darüber hinaus war es sogar möglich zu zeigen, dass die Schaltung auch wieder verlernen konnte, wenn die Spannungsimpulse nicht mehr gleichzeitig angelegt wurden.

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