Файл: Стрижевский, И. В. Хемотроника.pdf

тате прохождения тока покрывается цинком, а поэтому теперь измеряется разность потенциалов цинкового и медного электродов, погруженных в хлорид цинка; эта разность потенциалов равна приблизительно 1 ві Таким образом, мы имеем сигнал о том, что через данный анод проходил ток. Так как в ячейке имеется целая система анодов, то двоичным кодом ячейки можно за­ писать достаточно сложную информацию.

Ячейка помнит записанную информацию до тех пор, пока не удалено цинковое покрытие с электрода анодной

системы. Это покрытие можно удалить, пропустив через электрод ток обратного направления, т. е., подав на него положительный потенциал относительно потенци­ ала электрода 2. Таким способом можно изменять ин­ формацию, записанную ячейкой.

В отсутствие обратного тока нанесенное покрытие должно сохраняться как можно дольше, чтобы память ячейки была долгой. Возможны две причины, умень­ шающие память ячейки. Первая из них связана с утеч­ кой тока при считывании потенциала анода. Для ее устранения в считывающую цепь вводят высокое сопро­ тивление, чтобы ток при считывании был как можно меньше. Вторая причина связана с саморастворением покрытия в электролите, что возможно, когда потенциал металлических ионов электролита и покрытия ниже потенциала металла электрода. В рассмотренной ячейке вторая причина отсутствует, так как в растворе нет ионов металла, потенциал которого ниже потенциала меди.

Запись информации на какой-либо электрод из анод­ ной системы происходит с помощью подачи на него прямо­ угольного импульса напряжения, отрицательного по от­ ношению к потенциалу электрода 2. Стирание записи

Производится пропусканием положительного импульса напряжения. Желательно, чтобы запись происходила как можно быстрее, а «память» ячейки была как можно большей. Под памятью ячейки понимается промежуток Времени, в течение которого ячейка сохраняет потенциал, созданный покрытием анода. Длительность этого про­ межутка времени зависит от толщины покрытия; послед­ няя в свою очередь определяется площадью анода, ве­ личиной проходящего тока и продолжительностью его протекания. Память ячейки увеличивается при умень-

Рпс. 3G. Трехэлентродная элек­ трохимическая ячейка памяти

Положение переключателей П:

I — запись,

II — считывание, I I I — стирание

шении площади анода, увеличении силы тока и периода его протекания.

Следовательно, для уменьшения времени записи и увеличения памяти конструкцией электрохимического запоминающего устройства должно быть предусмотрено следующее: малая площадь^электродов анодной системы; мощные импульсы малой длительности переключающего тока; высокое сопротивление^цепей считывания.

Кроме рассмотренного устройства предложено много других конструкций^ электрохимических ячеек памяти. Например, широкое применение получили трехэлектрод­ ные ячейки, в которых для хранения информации в дво­ ичном коде используется процесс электроосаждения. Принцип действия таких ячеек поясняет рис. 36. Ячейка, выполненная из изолирующего материала, заполнена раствором сульфата меди. В ячейке расположено два пластинчатых электрода 1 из золота или платины. Элек­ троды с внутренней стороны изолированы покрытием из эпоксидной смолы 2, за исключением узкой щели 3. Ширина щели очень мала и составляет сотые или тысяч­

130

ные доли миллиметра. Оптимальная ширина щели за­ висит от материала электрода, размеров проводящей поверхности, концентрации электролита и величины тока осаждения. На противоположной стенке ячейки напротив щели расположен медный электрод 4, который может быть хромовым, цинковым или никелевым. В за­ висимости от материала электрода раствор сульфата меди заменяется раствором соли соответствующего ме­ талла.

Выходным сигналом ячейки является измеряемое со­ противление между электродами 1, разделенными щелью 3. Если щель заполнена раствором, то это сопротивление велико. При подаче на электроды напряжения, отрица­ тельного относительно электрода 4, последний начинает растворяться, и в щели 3 происходит отложение меди. Через некоторое время, которое называют временем за­ писи, зазор между электродами 1 будет замкнут осажден­ ной медью и измеряемое сопротивление между электро­ дами резко упадет из-за высокой проводимости меди. Когда на электроды 1 подается напряжение, положитель­ ное относительно электрода 4, то осажденная в зазоре медь растворяется, и ячейка возвращается в прежнее состояние, характеризующееся высоким сопротивлением между электродами 1. Таким образом, ячейка имеет два состояния: замкнутый зазор между электродами 1 (ло­ гическая «1») и разомкнутый зазор (логический «О»), Подавая между, электродам 1 положительный или отрицательный прямоугольный импульс тока, мы со­ ответственно запишем логический «О» или логическую «1». Совокупность подобных ячеек памяти позволяет записывать информацию в двоичном коде. Прибор, кроме, того, может быть использован в качестве защелкиваю­ щего переключателя или реле."

Па рисунке изображена электрическая схема, в ко­ торую входит электрохимический элемент памяти. Трех­

дается отрицательное напряжение относительно элек­

9* 131

«считывания», когда к электродам 1 подключается изме­ рительная схема, состоящая из источника тока Е2 и со­ противления Іі„. Выходным сигналом служит падение

ния проволоки, а также потому, что металл покрытия

132

Применение постоянного тока нецелесообразно, так как он может вызвать перенос металла с одного конца элек­ трода 4 на другой. В процессе работы может наступить насыщение прибора, когда весь металл покрытия анода будет перенесен на электрод 4, и, следовательно, дальней­ шего изменения сопротивления электрода 4 происходить не будет.

Время насыщения прибора зависит от силы тока, проходящего через него, и количества металла покры­ тия на аноде. Это время можно регулировать, используя дополнительный электрод 9, на котором тоже имеется покрытие. Подключая источник тока к электроду 9 и аноду 8, можно либо перенести на анод 8 дополнитель­ ное количество металла покрытия с электрода 9 либо уменьшить покрытие анода, перенеся металл на элек­ трод 9. Таким образом можно увеличить или. уменьшить время насыщения. Описанный прибор отличается от ра­ нее рассмотренных ячеек памяти тем, что в нем происхо­ дит непрерывное изменение сопротивления во времени.

Кроме элементов памяти, основанных на электро­ осаждении металла, предложены устройства, работающие по принципу изменения емкости приэлектродных двой­ ных слоев. Они представляют собой двухэлектродную электрохимическую ячейку, в которой под действием коротких импульсов постоянного тока резко увеличи­ вается емкость. Измененная емкость сохраняется в те­ чение многих часов. Таким образом, ячейка может слу­ жить элементом памяти, сохраняя информацию в форме измененной емкости. Действие импульса противополож­ ной полярности «стирает» высокий уровень емкости, и последняя возвращается к исходному значению. Дей­ ствие серии импульсов постоянного тока одной поляр­ ности изменяет емкость ячейки в зависимости от числа, интенсивности и длительности импульсов. При этом ячейка будет функционировать или как запоминающее устройство, или как просто интегратор. При воздей­ ствии импульсов противоположной полярности с помощью такой ячейки можно производить вычитание.

Опытным путем установлено, что импульс должен достигать пороговой величины раньше, чем он изменит величину емкости ячейки. Эта пороговая величина не­ одинакова для разных жидких систем, но различие несущественно. Более того, пороговая величина слабо

133

изменяется и от концентрации электролита. Подходящее пороговое напряжение 1,3—2 в, при длительности поро­ гового импульса 15—50 сек. Импульсы обратного знака тоже имеют некоторые пороговые характеристики, однако установлено, что длительность реверсивного импульса может быть значительно короче, 5—10 сек.

Элементы самоорганизующихся систем

Внауке и современном производстве все большее зна­ чение приобретают автоматические системы управления.

Вживом организме и сложных технологических процес­ сах, в экономике и медицине, в военном деле и при орга­ низации производства — везде, где необходимо поддер­ жание структуры сложной динамической системы, роль управляющих систем становится решающей.

Ясно, что управляющая система должна быть не менее сложной, чем управляемая, и, следовательно, в конце концов возникает необходимость в самоорганизующихся управляющих системах, аналогичных мозгу. В настоящее время уже известны некоторые важные принципы по­ строения самоорганизующихся систем, которые способны самостоятельно решать задачи распознавания зрительных образов, речи, реализовать логические функции. На этих принципах созданы кибернетические машины. К числу наиболее известных машин такого рода относится зна­ менитый «перцептрон»* американского ученого Розенблатта.

Перцептрон состоит из множества связанных в единую сеть элементов, генерирующих сигналы. Каждый из

этих элементов, получив из окружающей среды или от других элементов сети входной сигнал, генерирует выходной сигнал, который через соединительные связи может быть передан в заданную совокупность прини­ мающих элементов. Каждый перцептрон имеет сенсорный

несколько выходных элементов, генерирующих сигналы, за которыми может наблюдать человек или автоматиче­ ская система.

* «Перцептрон», или «персептроп», от лат. perceptio—>перцепия,восприятие.

134

Действие и устройство простейшего перцептрона можнб рассмотреть на примере построенной Розенблаттом ма­ шины МАРК-1, предназначенной для распознавания зри­ тельных образов (рис. 38).

Воспринимающее устройство перцептрона состоит из нескольких сотен фотосопротивлений, которые образуют поле рецепторов, являющееся фотоэлектрической моделыо сетчатки. Каждый элемент поля рецепторов может находиться только в одном из двух возможных состояний невозбужденном или возбужденном. На данное фото-

Рис. 38. Схема простей­ шего перцептрона

сопротивление падает контур фигуры, проектируемой на рецепторное поле и предназначенной для распознавания. На выходе возбужденного рецептора появляется сигнал: хДі—1, 2, 3, 4,. . ., п), где п — число рецепторов. Сигнал невозбужденного рецептора x t равен нулю.

Другую группу элементов перцептрона образуют так называемые А-элемеиты (ассоциативные элементы), каж­ дый из них имеет несколько входов и один выход. В перцептроне МАРК-1 число рецепторов н=400, число А-эле- ментов 7?г=512; каждый A-элемент имеет 20 входов. К последним присоединяются случайным образом выходы рецепторов, причем каждое такое подсоединение может быть произведено либо со знаком плюс, либо со знаком минус. Связи рецепторов с A-элементами не изменяются в процессе «обучения» машины. Если алгебраическая сумма входных сигналов, поступающих в данный А-эле- мент, больше или равна некоторой величине Ѳ, одинаковой для всех A-элементов, то A-элемент возбуждается и выдает

135

сигнал i/j, равный 1. В противном случае сигнал /-го А-элё-

мента равен 0. Итак

При этомr.j= +1, если і-йрецептор подсоединен к А-эле- мѳнту со знаком плюс, и г(..=1, если і-й рецептор подсоеди­

нен со знаком минус. В случае, когда і-й рецептор вообще не подсоединен ко входу /-го A-элемента, г,. .= 0.

С помощью специальных усилителей выходные сиг­ налы A-элементов умножаются на переменные коэффици­ енты У, величина которых может быть положительной,

отрицательной или равной нулю. Выходные сигналы A-элементов, умноженные на коэффициенты А, склады­

ваются в сумматоре 2 , и сумма поступает на вход реа­ гирующего A-элемента. Условия возбуждения A-эле­

мента

П

Рассмотрим теперь процесс обучения перцептрона. Обычно заранее устанавливается, что A-элемент при предъявлении перцептрону изображений одного образа (например, раз­ личных изображений буквы А) должен выдавать на вы­ ходе единицу, а при предъявлении изображений другого образа (например, различных изображений буквы Б) выдается ноль. Обучение состоит из ряда тактов и при каждом перцептрону предъявляется некоторое изобра­ жение; при этом часть А-элемеитов возбуждается.

Если коэффициенты У, возбужденные в данном такте A-элементов при изображении буквы А, увеличить на некоторую величину, а при предъявлении буквы Б умень­

элементов усиливает сигнал на входе A-элемента, а умень­

136