From nonlinear dynamics to proof of conceptfor Heteroclinic Computing

从非线性动力学到异宿计算的概念证明

基本信息

项目摘要

Heteroclinic dynamics naturally emerges in coupled nonlinear dynamical systems, in particular in networks of phase-coupled and pulse-coupled oscillators. As a dynamical phenomenon it is reasonably well understood mathematically. Heteroclinic networks, a collection of saddle states linked via heteroclinic connections, form the skeleton determining much of the collective dynamics in a range of systems. Dynamics near heteroclinic networks has been proposed to provide computing mechanisms in biological and bio-inspired systems and to offer highly effective, universal computational features. Heteroclinic networks also enable a new computing framework that is independent of specific implementations, such as networks of phase-coupled or pulse-coupled oscillators or competitive Lotka-Volterra-like systems. The core computational principles of encoding are reasonably understood. In particular, the direction of the driving signal vector acting on a state near a saddle determines the direction a trajectory leaves that saddle and thus the next saddle approached by the trajectory. On longer time scales, the driving signal thereby determines the sequence of saddles and reversely, the sequence of saddles reveals information about specific properties of the driving signal, i.e. a computation has been performed on that input signal. Here, signals with components in the same partial rank order are associated with each other and yield the same computational result, i.e. the computation is robust in this sense. Recent works also demonstrated how noise affects reliable switching in both phase-coupled and pulse-coupled oscillator systems, thereby offering hints into computational reliability and providing first insights about how heteroclinic computing systems may actually behave under noisy, real world conditions. Heteroclinic computing, however, has so far not been demonstrated in any real device and it remains an open question how exactly to realize it.In the proposed project, we plan to address three remaining key questions. One about efficient decoding and its interplay with encoding, one about how to realize intrinsic, self-organized memory in suitable coupled oscillator systems, and one about identifying potential substrates, architectures and implementation techniques to provide a proof of concept for heteroclinic computers in hardware. We will combine known properties about coupled oscillator networks, especially the theory of pulse-coupled oscillators and generally the theory of coupled dynamical systems, with ideas from neural network theory to address these questions. A successful study would not only yield new insights into theoretical aspects of the nonlinear dynamics of the heteroclinic computing paradigm but also provide crucial steps towards a new form of robust analogue computers, creating a bridge from the mathematical level of nonlinear dynamics and the conceptual level of the computing idea towards options for the technological level.
异宿动力学自然出现在耦合非线性动力系统中,特别是在相位耦合和脉冲耦合振荡器网络中。作为一种动力学现象,它在数学上得到了合理的理解。异宿网络是通过异宿连接连接的鞍态的集合,形成了一系列系统中决定大部分集体动力学的骨架。近异宿网络动力学已经被提出来在生物和生物启发系统中提供计算机制,并提供高效、通用的计算特征。异宿网络还实现了独立于特定实现的新计算框架,例如相位耦合或脉冲耦合振荡器或竞争性Lotka-Volterra类系统的网络。编码的核心计算原理得到了合理的理解。特别地,作用于鞍附近的状态的驱动信号矢量的方向确定轨迹离开该鞍的方向,并且因此确定轨迹接近的下一个鞍的方向。在较长的时间尺度上,驱动信号由此确定鞍和鞍的序列,鞍的序列揭示了关于驱动信号的特定属性的信息,即,已经对该输入信号执行了计算。这里,具有相同部分秩序中的分量的信号彼此相关联并且产生相同的计算结果,即,在这个意义上,计算是鲁棒的。最近的工作还表明,噪声如何影响相位耦合和脉冲耦合振荡器系统的可靠切换,从而提供线索到计算的可靠性,并提供第一次洞察异宿计算系统如何实际上可能会表现在嘈杂的,真实的世界条件下。然而,异宿计算到目前为止还没有在任何真实的设备中得到证明,如何确切地实现它仍然是一个悬而未决的问题。在拟议的项目中,我们计划解决三个剩余的关键问题。一个是关于有效的解码及其与编码的相互作用,一个是关于如何在合适的耦合振荡器系统中实现固有的自组织存储器,一个是关于识别潜在的基板,架构和实现技术,以提供硬件中的异宿计算机的概念证明。我们将结合联合收割机已知的耦合振荡器网络,特别是脉冲耦合振荡器的理论和一般的耦合动力系统的理论,从神经网络理论的想法来解决这些问题。一个成功的研究不仅会产生新的见解异宿计算范式的非线性动力学的理论方面,但也提供了一个新的形式的强大的模拟计算机的关键步骤,创建一个桥梁,从数学水平的非线性动力学和概念水平的计算思想的选择,技术水平。

项目成果

期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Professor Dr. Marc Timme, Ph.D.其他文献

Professor Dr. Marc Timme, Ph.D.的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Professor Dr. Marc Timme, Ph.D.', 18)}}的其他基金

Physics of neural networks with non-additive coupling
非加性耦合神经网络物理学
  • 批准号:
    192648454
  • 财政年份:
    2011
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Research Grants
Synchronization and Collective Nonlinear Dynamics in Complexified Oscillator Networks — SynCON —
复杂振荡器网络中的同步和集体非线性动力学 â SynCON â
  • 批准号:
    534825001
  • 财政年份:
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Research Grants

相似国自然基金

发展基因编码的荧光探针揭示趋化因子CXCL10的时空动态及其调控机制
  • 批准号:
    32371150
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    50.00 万元
  • 项目类别:
    面上项目
β-arrestin2- MFN2-Mitochondrial Dynamics轴调控星形胶质细胞功能对抑郁症进程的影响及机制研究
  • 批准号:
    n/a
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    0.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
钱江潮汐影响下越江盾构开挖面动态泥膜形成机理及压力控制技术研究
  • 批准号:
    LY21E080004
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    0.0 万元
  • 项目类别:
    省市级项目
磁性薄膜和磁性纳米结构中的自旋动力学研究
  • 批准号:
    11174131
  • 批准年份:
    2011
  • 资助金额:
    60.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
星系结构基本单元星团的研究
  • 批准号:
    11043006
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    10.0 万元
  • 项目类别:
    专项基金项目
星系恒星与气体的动力学演化
  • 批准号:
    11073025
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    30.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
在我们的门前发掘化石——利用中国即将开展的巡天来研究银河系的演化
  • 批准号:
    11043005
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    10.0 万元
  • 项目类别:
    专项基金项目
物体运动对流场扰动的数学模型研究
  • 批准号:
    51072241
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    10.0 万元
  • 项目类别:
    专项基金项目
弦场论及Tachyon动力学
  • 批准号:
    10705008
  • 批准年份:
    2007
  • 资助金额:
    15.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
微分遍历理论和廖山涛的一些方法的应用
  • 批准号:
    10671006
  • 批准年份:
    2006
  • 资助金额:
    21.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似海外基金

CAREER: Bridging Sea Ice Dynamics from Floe to Basin Scales
职业:弥合从浮冰到盆地尺度的海冰动力学
  • 批准号:
    2338233
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Standard Grant
CAREER: Nonlinear Dynamics of Exciton-Polarons in Two-Dimensional Metal Halides Probed by Quantum-Optical Methods
职业:通过量子光学方法探测二维金属卤化物中激子极化子的非线性动力学
  • 批准号:
    2338663
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: BoCP-Implementation: Alpine plants as a model system for biodiversity dynamics in a warming world: Integrating genetic, functional, and community approaches
合作研究:BoCP-实施:高山植物作为变暖世界中生物多样性动态的模型系统:整合遗传、功能和社区方法
  • 批准号:
    2326020
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Collaborative Research: BoCP-Implementation: Alpine plants as a model system for biodiversity dynamics in a warming world: Integrating genetic, functional, and community approaches
合作研究:BoCP-实施:高山植物作为变暖世界中生物多样性动态的模型系统:整合遗传、功能和社区方法
  • 批准号:
    2326021
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Standard Grant
RII Track-4: NSF: Developing 3D Models of Live-Endothelial Cell Dynamics with Application Appropriate Validation
RII Track-4:NSF:开发活内皮细胞动力学的 3D 模型并进行适当的应用验证
  • 批准号:
    2327466
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Standard Grant
RII Track-4:NSF: Physics-Informed Machine Learning with Organ-on-a-Chip Data for an In-Depth Understanding of Disease Progression and Drug Delivery Dynamics
RII Track-4:NSF:利用器官芯片数据进行物理信息机器学习,深入了解疾病进展和药物输送动力学
  • 批准号:
    2327473
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Standard Grant
CAREER: First-principles Predictive Understanding of Chemical Order in Complex Concentrated Alloys: Structures, Dynamics, and Defect Characteristics
职业:复杂浓缩合金中化学顺序的第一原理预测性理解:结构、动力学和缺陷特征
  • 批准号:
    2415119
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Continuing Grant
Conference: Supplementary funding for the BIRS-CMO workshop Optimal Transport and Dynamics (24s5198)
会议:BIRS-CMO 研讨会最佳运输和动力学的补充资金 (24s5198)
  • 批准号:
    2401019
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Standard Grant
NSF Postdoctoral Fellowship in Biology: Understanding the role of dietary toxins in shaping microbial community dynamics in the gut
NSF 生物学博士后奖学金:了解膳食毒素在塑造肠道微生物群落动态中的作用
  • 批准号:
    2305735
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Fellowship Award
Collaborative Research: Understanding and Manipulating Magnetism and Spin Dynamics in Intercalated van der Waals Magnets
合作研究:理解和操纵插层范德华磁体中的磁性和自旋动力学
  • 批准号:
    2327826
  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    --
  • 项目类别:
    Continuing Grant
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了