Хіміки з Університету Піттсбурга розробили метод розпізнавання зображень за допомогою коливань шматочків гелів. Він не потребує використання комп'ютера або джерел електроенергії. Метод заснований на нейромережі, побудованої на зворотному зв'язку в коливальній хімічній реакції, відомої як реакція Білоусова - Жаботинського. У теоретичному описі роботи автори розповіли, як повинна бути влаштована розпізнаюча система, і описали, які матеріали повинні бути в ній використані. Продемонструвати працездатність методу вдалося на комп'ютерних моделях із зображеннями цифр від нуля до дев'яти. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляють прес-реліз університету і портал Geektimes.
Коливальні процеси, які лежать в основі нового методу, засновані на реакції Білоусова - Жаботинського. Це один з рідкісних прикладів, коли хімічна реакція поводиться подібно до маятника: концентрація одного з реагентів змінюється по синусоїді до тих пір, поки реакція не припиниться. У класичному варіанті цього експерименту хіміки змішують органічну речовину, що окислюється в реакції (зазвичай лимонну або малонову кислоту), окислювач (бромат калію) і прискорює ці процеси каталізатор (сіль трьохвалентного церію). У результаті послідовності з декількох десятків хімічних реакцій у кожен цикл відбувається окислення каталізатора, уповільнення реакції і відновлення каталізатора. Оскільки окислена форма церія (Ce4 +) пофарбована, можна помітити коливання забарвлення в ході реакції. Іноді для наочності до суміші додають спеціальні пофарбовані індикатори.
Через свою незвичайну поведінку реакція привертає увагу хіміків, і за 65 років з моменту відкриття вийшла велика кількість статей, присвячених її вивченню. Так, хіміки з'ясували, що в деяких умовах можна конвертувати енергію хімічної реакції в механічні коливання. Для цього необхідно модифікувати каталізатор реакції (хімічні перетворення якого і є коливальним процесом). Вчені замінили церій на рутеній і вбудували його в полімерний гель, який потім занурили в розчин реагентів. Окислення рутенію змінювало гідрофільні, а згодом і механічні властивості гелю - матеріал змінював форму, відновлення повертало ці властивості у вихідний стан.
Коливання форми і розмірів гелю впливають на локальну концентрацію каталізатора - так, стиснення гелю має її підвищувати, тим самим прискорюючи реакцію в момент стиснення. Це в свою чергу має позначитися на частоті коливань гелю, викликаних хімічними перетвореннями. У 2012 році хіміки з університету Піттсбурга і MIT показали, що зовнішнім тиском можна навіть ініціювати реакцію Білоусова - Жаботинського в середовищі з невеликою кількістю реагентів, а раніше, в 2009 році, на основі цього ефекту вчені створили «крокуючий гель». Подібний зворотний зв'язок робить «гель Білоусова - Жаботинського» контрольованою, але дуже складною системою.
Автори нової роботи звернули увагу на концепцію створення нейронних мереж за допомогою осцилюючих (коливаються) систем. Кожен елемент нейронної мережі певним чином взаємодіє з сусідами - вибудувавши ці зв'язки певним чином, можна навчити мережу перетворювати вхідну в неї інформацію, наприклад, розпізнавати образи. Хіміки запропонували використовувати в ролі «нейронів» невеликі шматочки гелю з рутенієвим каталізатором.
Роль зв'язків між нейронами дісталася міліметровим п'єзоелектричним платівкам. При вигині, викликаному зміною форми гелю, ці платівки генерують різність потенціалів. Разом з тим, якщо прикласти до платівок напругу, вони самі вигнуться, деформувавши гель. Якщо об'єднати два шматочки гелю з двома платівками в єдиний електричний ланцюг, то коливання першого гелевого «нейрона» впливатимуть на коливання другого через напругу, створювану п'єзоелектриком у ланцюгу, - воно впливатиме на поведінку другої п'єзоелектричної платівки. В результаті, з часом коливання нейронів виявляться синхронізованими.
Для створення нейромережі з 60 «нейронів» автори запропонували з'єднати послідовно всі п'єзоелектричні платівки. Зв'язок між сусідніми нейронами визначався тим, в якому порядку підключені умовні «плюс» і «мінус» платівок (автори пропонують застосовувати платівки з двох різних, скріплених між собою п'єзоелектриків). Якщо порядок з'єднання був «плюс-мінус-плюс-мінус», то фрагменти гелю прагнули коливатися синхронно, а якщо «плюс-мінус-мінус-плюс», то в протифазі. За допомогою таких зв'язків автори запропонували кодувати в мережі зображення цифр.
Експеримент з розпізнавання автори змоделювали теоретично. Він влаштований наступним чином. У перший момент часу 60 «нейронів» занурюють у розчин з реагентами (окислювачем і відновлювачем) і за допомогою зовнішнього впливу (світлового, термічного або механічного) задають кожному з них початкову фазу коливання. Потім включається зворотний зв'язок між «нейронами», яка намагається перетворити коливання шматочків гелю в закладені в нейромережі. Ключовим для розпізнавання параметром є час повного перетворення коливань.
Через деякі обмеження (зв'язок у мережі може мати значення тільки «+ 1» і «-1») кожна нейромережа намагалася розпізнати в запропонованих їй даних тільки одну конкретну цифру. Тому для розпізнавання одного і того ж викривленого зображення одиниці потрібно провести експеримент з десятьма нейромережами («0» - «9»). Підсумком розпізнавання буде число, відповідне тій мережі «нейронів», яка впоралася з повним перетворенням коливань першої. Як параметр подібності (DoM) виступає час перетворення.
Автори відзначають, що запропонована система повністю автономна від зовнішніх джерел енергії - для її роботи потрібні лише реагенти реакції Білоусова - Жаботинського. Хімічна енергія трансформується і в механічні коливання і в електричний струм, що управляє синхронністю системи. Завдяки цьому подібні нейронні мережі можуть знайти застосування в м'яких сенсорних тканинах роботів або інших пристроях. Головним мінусом нейромережі на «гелі Білоусова - Жаботинського» буде її повільність - у моделі розпізнавання відбувається приблизно за хвилину.
Для створення змодельованої нейронної мережі існують всі необхідні технології. Наприклад, вже були описані пристрої, що поєднують в собі полімерні матеріали та п'єзоелектричні актуатори.
Реакція Білоусова - Жаботинського має кілька аналогів. Найзручнішим з них, з точки зору експерименту, є експеримент з «іодним годинником», реакцією Бріггса - Раушера. Замість бромату калію в ній використовується підкислена перекис водню і іодновата кислота, замість церія - солі марганцю (II), а в якості фарбуючої речовини - крохмаль, що утворює комплекс з іодом.