7.3. Автоволновая электроника

Особое место в молекулярной электронике занимают перспективные идеи автоволновой электроники.

В автоволновой электронике изучаются процессы, происходящие в неравновесных открытых кинетических системах, которые проявляются в виде разнообразных нелинейных автоволн, стационарных пространственных структур, стратов, доменов и других типов динамических неоднородностей.

Наибольший, пожалуй, интерес представляют собой автоволны - класс нелинейных волн, распространяющихся в активных континуальных средах за счет запасенной энергии. Следует особо подчеркнуть, что 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 (рис. 7.9).

В качестве континуальных сред в устройствах автоволновой электроники используются активные распределенные среды, в которых возможна реализация большого числа самозадерживающихся нелинейных пространственно-временных возбуждений. К таким средам можно отнести биологические активные мембраны, мышечные волокна, нейронные сети, распределенные биохимические среды, а также некоторые сообщества живых организмов.

Рис. 7.9. Типы автоволновых процессов: 1 - плоский волновой фронт огибает препятствие; 2 - спиральные волны:

а - двумерная среда, б - вращающийся свиток,

в - вихревое облако

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. 7.9).

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.

Реализация памяти с использованием автоволновых процессов происходит по следующей схеме. В сосуде 1 находится вещество 2 и его расплав 3 (рис. 7.10). В режиме записи (рис. 7.10, а) опорный источник создает однородный лоток тепла. Возникший градиент температуры dТ/dy 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. Другими словами, можно изготовить копии рельефа в виде а ∙ b. Таким образом, реализуется память.

Рис. 7.10. Схема ассоциативной памяти: а – запись;

б - воспроизведение структуры

Ассоциативное восстановление можно провести по схеме рис. 7.10, б. 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.