Creation of brain-inspired material intelligence composed of nanomaterial network

• Project/Area Number: 20K22485
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0402:Nano/micro science, applied condensed matter physics, applied physics and engineering, and related fields
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: Yuki Usami 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 助教 (60878437)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: リザバー演算 / 光応答素子 / 金属酸化物 / 物理リザバー / 電気化学演算素子 / ナノ物質界面ネットワーク / 音声認識 / 脳型演算素子 / 導電性高分子 / 電気化学デバイス / ナノ材料 / リザバーコンピューティング

Outline of Research at the Start

近年、脳神経回路の仕組みを模倣して学習や認識を行う人工知能（AI）が大きく注目されている。しかしながら、既存のデバイス素子開発では材料の状態の揺らぎが演算処理を悪化させる致命的な要因となっているため、情報処理の動作環境の制約が存在する。本研究では、ナノ物質の持つ非線形応答性、自己組織性を用いてネットワークを構築し、電荷移動過程に状態の揺らぎを持ち込むことで、忌避すべきものであった揺らぎを逆に情報処理に活用し、材料そのものを計算資源として用いる「マテリアル知能」というべき新たな分野を切り拓く。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we implemented reservoir computing using α-Fe2O3/Ti-Bi-O nanoparticle composites, which are highly photo-responsive materials in order to perform reservoir computing driven by fluctuations. Structural analysis results showed the formation of nanoparticles and revealed that the current value increased upon light irradiation. From impedance spectroscopy, ionic conduction at the interface was dominant in this material system. Furthermore, the results of the waveform generation task, a representative benchmark, showed that a certain amount of light irradiation increased the accuracy of waveform prediction by optimizing the amount of current noise. These results show that fluctuations caused by light irradiation successfully control the reservoir computing performance.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究を通して、光応答材料を演算部に組み込むことで、外部からの光刺激により電流ノイズの量が最適化され、演算機能が制御可能となることを見出した。本研究の進展により、ノイズや揺らぎといったこれまで演算機能向上の妨げとなっていたものを逆に活用する、真に脳機能を模倣した演算処理の実現が期待される。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Twente大学ナノテクノロジー研究所(オランダ)
• [Journal Article] In-materio reservoir computing in a sulfonated polyaniline network (2021)
  • Author(s): Y. Usami, B. van de Ven, D. G. Mathew, T. Chen, T. Kotooka, Y. Kawashima, Y. Tanaka, Y. Otsuka, H. Ohoyama, H. Tamukoh, H. Tanaka, W. G. van der Wiel, T. Matsumoto
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 33 Issue: 48 Pages: 2102688-2102688
  • DOI: 10.1002/adma.202102688
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Electrical Properties of Photoresponsive Materials for In-materio Reservoir Computing (2022)
  • Author(s): Masaya Hakoshima, Yuki Usami, Takumi Kotooka, Hirofumi Tanaka
  • Organizer: The 3rd International Symposium on Neuromorphic AI Hardware
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] インマテリオリザバー利用を指向した光応答性材料の電気特性 (2022)
  • Author(s): 箱嶋将弥、宇佐美雄生、琴岡匠、田中啓文
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 電気化学ダイナミクスを用いたインマテリオリザバーによる音声分類 (2022)
  • Author(s): 宇佐美 雄生、田中 悠一朗、田向 権、Wilfred van der Wiel、松本 卓也、田中 啓文
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ポリアニリンネットワークの電気化学的物理リザバー演算機能創製 (2021)
  • Author(s): 宇佐美 雄生、Wilfred van der Wiel、松本 卓也、田中 啓文G1104
  • Organizer: ナノ学会第19回大会
• [Presentation] ナノ材料ネットワークの時間ダイナミクスが拓く物理リザバーの演算機能 (2021)
  • Author(s): 宇佐美 雄生、田中 啓文
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] In-materio voice classification based on self-doped polyaniline by binarized convolutional neural network (2021)
  • Author(s): Yuki Usami, Yuichiro Tanaka, Hakaru Tamukoh, Takuya Matsumoto, Wilfred G. van der Wiel, Hirofumi Tanaka
  • Organizer: MNC2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chemical integration of molecular network with electrical nonlinearity toward neuromorphic computing (2021)
  • Author(s): Yuki Usami, Tomoyo Fukumaru, Yuya Kawashima, Tomoki Misaka, Yoichi Otsuka, Yasuhisa Naitoh, Takuya Matsumoto
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 自己ドープ型ポリアニリンを用いた電気化学的物理リザバーの演算機能創製 (2021)
  • Author(s): 宇佐美 雄生、Wilfred G. van der Wiel、 松本 卓也、田中 啓文
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ナノ材料集合体を記憶部に用いた時間遅延型リザバーコンピューティング (2021)
  • Author(s): 中尾祐介、宇佐美雄生、Saman Azhari、Hadiyawarman、田中啓文
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 非線形電子物性を有する分子ネットワークの化学的構築と情報処理への応用 (2020)
  • Author(s): 宇佐美 雄生、川嶋 悠哉、福丸 知世、三坂 朝基、琴岡 匠、大塚 洋一、内藤 泰久、大山 浩、田中 啓文、松本卓也
  • Organizer: 第11回分子アーキテクトニクス研究会
• [Presentation] 脳神経型情報処理を目指した非線形電子物性を有する分子ネットワークの化学的構築 (2020)
  • Author(s): 宇佐美 雄生、 川嶋 悠哉、福丸 知世、三坂 朝基、琴岡 匠、大塚 洋一、内藤 泰久、大山 浩、田中 啓文、松本 卓也
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Electrochemical Controlled Neuromorphic Behavior Based on Self-Doped Polyaniline (2020)
  • Author(s): 宇佐美 雄生、松本 卓也、Wilfred G. van der Wiel、田中 啓文
  • Organizer: MNC2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 物理リザバーに向けたポリアニリン-金微粒子ランダムネットワークの構築 (2020)
  • Author(s): 川嶋 悠哉、宇佐美 雄生、 琴岡 匠、 田中 啓文、 松本 卓也
  • Organizer: 2020年日本表面真空学会学術講演会
• [Presentation] 自己ドープ型ポリアニリンを用いた電気化学制御リザバーコンピューティング (2020)
  • Author(s): 宇佐美 雄生、松本 卓也、 Wilfred G. van der Wiel、 田中 啓文
  • Organizer: 第30回日本MRS年次大会
• [Remarks] 研究者詳細 ー 宇佐美 雄生
  • URL: https://hyokadb02.jimu.kyutech.ac.jp/html/100001328_ja.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 演算素子及びそれを具備する機械学習システム (2021)
  • Inventor(s): 宇佐美雄生、田中啓文、琴岡匠、川嶋悠哉、松本卓也
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人九州工業大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021
• [Patent(Industrial Property Rights)] ３次元電気素子及びそれを備えた機械学習システム (2020)
  • Inventor(s): アズハリ サマン、宇佐美 雄生、田中 啓文
  • Industrial Property Rights Holder: アズハリ サマン、宇佐美 雄生、田中 啓文
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020