5 Устройства автоволновой электроники
Особое место в молекулярной электронике занимают перспективные идеи автоволновой электроники.
В качестве континуальных сред в устройствах автоволновой электроники используются активные распределенные среды, в которых возможна реализация большого числа самозадерживающихся нелинейных пространственно-временных возбуждений.
К активным распределенным средам можно отнести
биологические активные мембраны,
мышечные волокна,
нейронные сети,
распределенные биохимические среды,
некоторые сообщества живых организмов.
Динамическими неоднородностями в таких средах служат
автоволны,
периодические структурные преобразования,
страты, домены и т. п.
Рассмотрим автоволны – класс нелинейных волн, распространяющихся в активных континуальных средах за счет запасенной энергии. Автоволны распространяются в средах, в каждом локальном объеме которых осуществляется независимая накачка энергии (равно как и вещества) и имеется диссипативный сток для отработанных "продуктов" накачки.
Генератором динамических неоднородностей автоволновой природы являются: импульсы внешней накачки, различные флуктуации.
Автоволны способны аннигилировать при столкновении двух встречных волновых фронтов, не отражаются от препятствий и границ среды, однако, дифрагируют на препятствиях в соответствии с принципом Гюйгенса. Различают плоские и спиральные волны (рис. 15).
Рис. 15 – Типы динамических неоднородностей автоволновых процессов: 1 - плоский волновой фронт огибает препятствие; 2 - спиральные волны; а - в двумерной среде, б - вращающийся свиток, в - вихревое облако
Управление автоволновыми процессами может осуществляться с помощью
тепловых полей,
локальным энергетическим воздействием,
введением дополнительной массы вещества.
Автоволновые среды обладают свойством ассоциативной памяти. Это обусловлено рядом причин, среди которых важной является отсутствие локальной пространственной адресации записываемой информации. Адресация и считывание возможны только по содержанию информации, по характерным признакам.
Автоволновые среды способны регистрировать предысторию своего функционирования путем накопления определенных качеств или свойств в материале. Такие среды обладают распределенной памятью и способны к обучению под воздействием внешних условий.
Рассмотрим принцип реализации памяти с использованием автоволновых процессов.
В сосуде (1) находится вещество (2) и его расплав (3) (рис. 16). В режиме записи (рис. 16.а) опорный источник создает однородный поток тепла. Возникший градиент температуры возбуждает в диссипативной автоволновой среде конвективные ячейки. Если на опорную матрицу воздействовать тепловым сигналом от источника В, то произойдет перестройка потоков, адекватная информационному воздействию потока В. Возникнет структура, описывающая поверхность изотермы плавления . Эта структура характеризует структуру конвективных потоков, интенсивности тепловых выбросов и т.д. Можно изготовить копии рельефа в виде ab, другими словами. Так реализуется память.
Рис. 16 – Схема ассоциативной памяти: а - запись; б - воспроизведение структуры
Ассоциативное восстановление можно провести по схеме(рис. 16.6). Условия неравновесности создаются источником А, а дополнительным организующим фактором является структура рельефа . Достижение комплементарного соответствия вложений и является актом распознавания образа. Этот метод имеет некоторое сходство с волновой голографией, а именно - реализуется в опорную упорядоченность в условиях самоорганизации.
Можно ожидать, что в дальнейшем исследования будут развиваться с использованием синергетического подхода к поведению автоволновых сред. Под синергетикой будем понимать процессы, происходящие в системах, состоящих из многих подсистем самой различной природы, например, электроны, атомы, молекулы, клетки, нейроны, фотоны, животные организмы... Такие структуры возникают в процессах самоорганизации, переходов типов беспорядок-порядок, порядок-порядок и т. п.