Аппаратная цепочка генераторов Фитцхью—Нагумо как физический резервуар: режимы коллективной динамики и декодирование граничного возбуждения

В рамках подхода физических резервуарных вычислений исследуется аппаратно реализованная цепочка из шестнадцати связанных генераторов ФитцХью—Нагумо с адаптивными синаптическими связями. Аналоговые генераторы формируют возбудимую среду, а синаптические переменные и связи между ними реализованы на программируемой логической интегральной схеме, с помощью которой также проводится считывание активности всех узлов. Два независимых периодических стимула с фиксированной амплитудой подаются на противоположные границы цепочки, образуя двумерное пространство управляющих частот. Методами машинного обучения (гребневая регрессия и случайный лес) показано, что пространственно-временн´ой отклик цепочки содержит достаточную информацию для точного восстановления обоих входных параметров (коэффициент детерминации R2 > 0,99 при нелинейном считывании). С помощью нелинейного понижения размерности (UMAP) и плотностной кластеризации (HDBSCAN) в пространстве характеристик откликов автоматически выделены четыре режима коллективной волновой динамики — от редких затухающих волн до интенсивного столкновения встречных волновых фронтов. Каждому режиму соответствует компактная область на плоскости управляющих частот. Установлено, что предварительное определение режима снижает ошибку линейного декодирования на 35 %, а входные параметры могут быть восстановлены уже по первым 20–30 % временн´ого окна наблюдения. Обнаружено, что наиболее динамически сложный режим оказывается наименее пригодным для линейного считывания, тогда как режим с регулярной волновой структурой обеспечивает наилучшее декодирование.