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IF 27.4!基于石墨烯量子點(diǎn)的元可塑性神經(jīng)突觸器件在緩解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)災(zāi)難性遺忘中的應(yīng)用

IF 27.4!基于石墨烯量子點(diǎn)的元可塑性神經(jīng)突觸器件在緩解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)災(zāi)難性遺忘中的應(yīng)用

  • 分類:新聞資訊
  • 作者:
  • 來源:
  • 發(fā)布時(shí)間:2025-01-17
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【概要描述】

IF 27.4!基于石墨烯量子點(diǎn)的元可塑性神經(jīng)突觸器件在緩解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)災(zāi)難性遺忘中的應(yīng)用

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本文精選

 

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在持續(xù)學(xué)習(xí)中的局限性源于對(duì)生物神經(jīng)回路復(fù)雜性的過度簡(jiǎn)化,常常忽略了記憶穩(wěn)定性與學(xué)習(xí)可塑性之間的動(dòng)態(tài)平衡。在本研究中,提出了一種增強(qiáng)了元可塑性的人工突觸器件,該器件使用石墨烯量子點(diǎn)(GQDs),元可塑性是一種高級(jí)的突觸可塑性形式,有助于記憶和學(xué)習(xí)過程的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),類似于生物系統(tǒng)中的觀察結(jié)果。該基于石墨烯量子點(diǎn)的器件利用界面介導(dǎo)的修改非對(duì)稱導(dǎo)電路徑,復(fù)制了經(jīng)典的突觸可塑性機(jī)制。這使得器件能夠?qū)εc歷史權(quán)重相關(guān)的未來權(quán)重變化進(jìn)行可重復(fù)且線性可編程的調(diào)整。將元可塑性引入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)于實(shí)現(xiàn)泛化至關(guān)重要,使得網(wǎng)絡(luò)在適應(yīng)新信息的同時(shí)能夠保持之前獲得的知識(shí)?;谑┝孔狱c(diǎn)的器件系統(tǒng)在第四個(gè)MNIST數(shù)據(jù)集任務(wù)中達(dá)到了97%的準(zhǔn)確率,并且在之前的任務(wù)中持續(xù)保持了94%以上的表現(xiàn)水平。該表現(xiàn)驗(yàn)證了將元可塑性原則直接應(yīng)用于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可行性,從而有效解決了災(zāi)難性遺忘的問題。這些發(fā)現(xiàn)為開發(fā)具有強(qiáng)大和持久學(xué)習(xí)能力的神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)提供了有前景的硬件解決方案,能夠有效地彌合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的差距。

 

創(chuàng)新點(diǎn)
1. 首次將元可塑性應(yīng)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),提出了一種通過石墨烯量子點(diǎn)增強(qiáng)的人工突觸器件,能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)記憶和學(xué)習(xí)過程,模擬生物神經(jīng)回路中的高階可塑性。
2. 利用石墨烯量子點(diǎn)增強(qiáng)器件,通過界面介導(dǎo)的非對(duì)稱導(dǎo)電路徑修改,成功復(fù)制了經(jīng)典的突觸可塑性機(jī)制。
3. 將元可塑性機(jī)制引入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),有助于網(wǎng)絡(luò)在適應(yīng)新任務(wù)時(shí)保持對(duì)舊任務(wù)的記憶,從而克服災(zāi)難性遺忘。
4. 提出了能夠進(jìn)行線性可編程的歷史權(quán)重調(diào)整機(jī)制,使得網(wǎng)絡(luò)能夠針對(duì)歷史任務(wù)進(jìn)行有效的記憶更新。
5. 在MNIST數(shù)據(jù)集上,基于GQDs的系統(tǒng)達(dá)到了97%的準(zhǔn)確率,并且在之前的任務(wù)上表現(xiàn)穩(wěn)定,證明了該方法的有效性。
 
對(duì)科研工作的啟發(fā)
1. 將元可塑性應(yīng)用到更多的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域,探索其在強(qiáng)化學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等復(fù)雜學(xué)習(xí)任務(wù)中的潛力。
2. 將硬件設(shè)計(jì)與深度學(xué)習(xí)算法相結(jié)合,開發(fā)新的硬件架構(gòu),能夠?yàn)槿斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)提供更加生物啟發(fā)的學(xué)習(xí)機(jī)制。
3. 可塑性作為一種新型的突觸可塑性形式,可以為解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)災(zāi)難性遺忘問題提供有效的理論支持和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
4. 通過石墨烯量子點(diǎn)增強(qiáng)的器件可以為深度學(xué)習(xí)硬件加速提供新的思路。
 
思路延伸
1. 結(jié)合元可塑性原理和石墨烯量子點(diǎn)材料,設(shè)計(jì)用于大規(guī)模并行計(jì)算的神經(jīng)形態(tài)芯片,進(jìn)一步提升計(jì)算效率和學(xué)習(xí)能力。
2. 探索元可塑性在跨模態(tài)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用,結(jié)合視覺、聽覺等多模態(tài)信息,開發(fā)能夠同時(shí)處理多種輸入模式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
3. 研究元可塑性如何增強(qiáng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力,特別是在面對(duì)數(shù)據(jù)缺失或環(huán)境變化時(shí),保持系統(tǒng)穩(wěn)定性和學(xué)習(xí)效率。
4. 基于元可塑性機(jī)制,設(shè)計(jì)具備動(dòng)態(tài)記憶和學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),能夠根據(jù)任務(wù)需求靈活調(diào)整記憶更新策略。
5. 探索在量子計(jì)算框架下引入元可塑性機(jī)制的可能性,研究量子計(jì)算如何為深度學(xué)習(xí)提供更高效的學(xué)習(xí)和記憶更新機(jī)制。

6. 利用元可塑性機(jī)制,開發(fā)能夠自適應(yīng)學(xué)習(xí)新任務(wù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),使其能夠在變化的環(huán)境中穩(wěn)定工作,避免因任務(wù)切換而引起的性能退化。

原文鏈接

 

Metaplasticity‐Enabled Graphene Quantum Dot Devices for Mitigating Catastrophic Forgetting in Artificial Neural Networks

Adv. Mater. (IF 27.4)
Pub Date  : 2024-12-09
DOI : 10.1002/adma.202411237

Xuemeng Fan, Anzhe Chen, Zongwen Li, Zhihao Gong, Zijian Wang, Guobin Zhang, Pengtao Li, Yang Xu, Hua Wang, Changhong Wang, Xiaolei Zhu, Rong Zhao, Bin Yu, Yishu Zhang

 

信息來源:二維材料Frontier

 

氧化石墨烯-碳納米管混雜氣凝膠在導(dǎo)熱儲(chǔ)能材料中的創(chuàng)新應(yīng)用

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2025-01-24
浙大高超團(tuán)隊(duì):石墨烯纖維熱管理領(lǐng)域成果集錦

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2025-01-10
石墨烯制成迄今最薄心臟植入物

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據(jù)發(fā)表在最新一期《先進(jìn)材料》雜志上的論文,美國西北大學(xué)和得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出由石墨烯制成的迄今最薄的心臟植入物。
2025-01-10

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