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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Elemental study of spiking dymamics from organic/carbon nanotube junction and application for informatics

Research Project

Project/Area Number 18H01814
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

赤井 恵  大阪大学, 大学院理学研究科, 教授 (50437373)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Keywordsニューロモルフィック / 分子デバイス / カーボンナノチューブ / POM / 双安定 / コンダクタンススイッチング
Outline of Annual Research Achievements

新しい人工知能的情報処理手法に必用な信号変換は複雑かつ膨大な量を必用とするが、これらの情報変換を物理的な材料、即ちマテリアルにさせる、マテリアル計算研究が注目され始めている。光や磁性材料、ソフトマテリアルといった様々な材料が試されている中、本研究では原子や分子といったナノの世界の非線型変換性、揺らぎやダイナミクスに注目し、ナノ材料、特に有機分子とナノカーボン材料の接合が含有する電子状態揺らぎや応答ダイナミクス現象の物理的機構を解明し、信号検出や情報処理、複雑計算に活用することを目的としている。
期間内の計画としては、電荷の貯積と放出に起因したスパイクダ イナミクスを発生する金属錯体分子ナノ接点構造を作り上げ、基礎物性の解析を行い、さらに応用として、高次情報変換計算に利用可能なリザーバと呼ばれる信号変換ネットワークとしての要請を満足する分子素子材料及び構造の探索を行うこととした。前年度迄に、ナノ分子素子から発生する時系列応答信号の発生メカニズムを明らかにするという目的は、一分子の酸化還元応答による確率的スイッチング現象として確認し、その原理検証を実証した。
当該年度は応用として高次情報変換計算に利用可能なリザーバとしての性能を計測し、その計測方法や試料作製方法との関連を精査した。また、前年度迄に分子の酸化還元のみならず、溶媒分子の電気化学反応にもこれらの情報計算に利用可能な応答を見いだしたことから、ナノカーボン材料を含まない電気化学反応電流によるリザーバ動作を確認し、これらの物性を論文としてそれぞれ報告した。また電気化学電流における非線型性と電気二重層形成における充放電電流においては更なる計測時間の短縮が性能の向上に期待できることが示された。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (22 results)

All 2021

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 5 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 4 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Physical implementation of reservoir computing through electrochemical reaction2021

    • Author(s)
      Kan S., Asai T., Nakajima K., and Akai-Kasaya M.
    • Journal Title

      Advanced Science

      Volume: 9 Pages: 2104076-2104076

    • DOI

      10.1002/advs.202104076

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Applying a molecular device to stochastic computing operation for a hardware AI system design2021

    • Author(s)
      Kan S., Sasaki Y., Asai T., and Akai-Kasaya M.
    • Journal Title

      Journal of Signal Processing

      Volume: 25 Pages: 221-225

    • DOI

      10.2299/jsp.25.221

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 学習する有機材料:リザバー計算に向けたニューラルネットワーク形成2021

    • Author(s)
      赤井 恵, 浅井 哲也, 中嶋 浩平
    • Journal Title

      応用物理

      Volume: 90 Pages: 504-508

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Hardware-oriented deep reinforcement learning for edge computing2021

    • Author(s)
      Yamagishi Y., Kaneko T., Akai-Kasaya M., and Asai T.
    • Journal Title

      Nonlinear Theory and Its Applications

      Volume: E12-N Pages: 526-544

    • DOI

      10.1587/nolta.12.526

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Reservoir computing on atomic switch arrays with high precision and excellent memory characteristics2021

    • Author(s)
      Kubota H., Hasegawa T., Akai-Kasaya M., and Asai T.
    • Journal Title

      Journal of Signal Processing

      Volume: 25 Pages: 123-126

    • DOI

      10.2299/jsp.25.123

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Simple reservoir computing capitalizing on the nonlinear response of materials: Theory and physical implementations2021

    • Author(s)
      Kan S., Nakajima K., Takeshima Y., Asai T., Kuwahara Y., and Akai-Kasaya M.
    • Journal Title

      Physical Review Applied

      Volume: 15 Pages: 024030-024030

    • DOI

      10.1103/PhysRevApplied.15.024030

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Long- and short-term conductance control of artificial polymer wire synapses2021

    • Author(s)
      Hagiwara N., Sekizaki S., Kuwahara Y., Asai T., and Akai-Kasaya M.
    • Journal Title

      Polymers

      Volume: 13 Pages: 312(1)-(10)

    • DOI

      10.3390/polym13020312

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Feasibility of neuromorphic wetware using configurable polymer networks2021

    • Author(s)
      Hagiwara N., Amemiya Y., Ali E.J., Asai T., and Akai-Kasaya M.
    • Organizer
      The 10th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Digital implementation of a multilayer perceptron based on stochastic computing with online learning function2021

    • Author(s)
      Sasaki Y., Muramatsu S., Nishida K., Akai-Kasaya M., and Asai T.
    • Organizer
      The 2021 Nonlinear Science Workshop
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A heuristic model for configurable polymer-wire synaptic devices2021

    • Author(s)
      Amemiya Y., Ali E.J., Hagiwara N., Akai-Kasaya M., and Asai T.
    • Organizer
      The 2021 Nonlinear Science Workshop
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Smart hardware architecture with random weight elimination and weight balancing algorithms2021

    • Author(s)
      Ali E.J., Amemiya Y., Akai-Kasaya M., and Asai T.
    • Organizer
      The 2021 Nonlinear Science Workshop
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] On the noise sensitivity of physical reservoir computing in a ring array of atomic switches2021

    • Author(s)
      Kubota H., Hasegawa T., Akai-Kasaya M., and Asai T.
    • Organizer
      The 2021 Nonlinear Science Workshop
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Towards physical neuromorphic device consisting of nanomaterials2021

    • Author(s)
      Akai-Kasaya M.
    • Organizer
      The 4th International Conference on Memristive Materials, Devices & Systems (MEMRISYS 2021)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Conductance control of free-wiring conductive polymer synapses2021

    • Author(s)
      Hagiwara N., Asai T., and Akai-Kasaya M.
    • Organizer
      The 4th International Conference on Memristive Materials, Devices & Systems (MEMRISYS 2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 有機材料を利用した神経細胞機能模倣デバイスとそのAI応用に向けて2021

    • Author(s)
      赤井 恵
    • Organizer
      第8回電子デバイスフォーラム
    • Invited
  • [Presentation] 有機マテリアルが拓くニューロモルフィック科学2021

    • Author(s)
      赤井 恵
    • Organizer
      応用物理学会関西支部 2021年度第第2回講演会 「昭和から令和までを橋架けた応用物理学における金字塔とその今 ~ノーベル賞から広がる最先端の研究~」
    • Invited
  • [Presentation] 原子スイッチを用いたリザバーコンピューティングのノイズ評価,2021

    • Author(s)
      久保田 宙, 長谷川 剛, 赤井 恵, 浅井 哲也
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 導電性ポリマーワイヤーシナプスの抵抗変化特性評価2021

    • Author(s)
      萩原 成基, 浅井 哲也, 赤井 恵
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 再構成可能な分子シナプス素子の簡易モデル2021

    • Author(s)
      雨宮 佳希, アリ ホセ エミリアーノ, 赤井 恵, 浅井 哲也
    • Organizer
      第34回 回路とシステムワークショップ
  • [Presentation] Organic material that learns: Construction of physical neural network2021

    • Author(s)
      Akai-Kasaya M.
    • Organizer
      The 17th International Conference on Multimedia Information Technology and Applications (MITA 2021)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 時分割入出力が可能なリング型リザーバのFPGAアーキテクチャの構築とその評価2021

    • Author(s)
      吉田 広世, 赤井 恵, 浅井 哲也
    • Organizer
      2021年 電子情報通信学会 NOLTAソサイエティ大会
  • [Book] Handbook of Unconventional Computing2021

    • Author(s)
      Akai-Kasaya M. and Asai T
    • Total Pages
      1208
    • Publisher
      World Scientific
    • ISBN
      978-981-123-503-0

URL: 

Published: 2023-12-25  

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