Funções cerebrais emergem em uma rede de nanofios

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/01/2020

(a) A rede contém numerosas junções entre nanofios, que funcionam como elementos sinápticos. Quando a tensão é aplicada à rede (entre os eletrodos verdes), a rede encontra os melhores caminhos para a corrente (laranja). (b) Um cérebro humano e uma de suas redes neuronais, que funcionam por meio da propagação do sinal elétrico através da rede.
[Imagem: NIMS]

Processamento emergente

Uma equipe de pesquisa internacional, liderada pelo Instituto Nacional de Ciência dos Materiais, no Japão, conseguiu fabricar uma rede neuromórfica composta por um emaranhado de nanofios metálicos.

Usando essa rede, a equipe foi capaz de gerar características elétricas semelhantes às associadas a funções cerebrais de ordem superior típicas dos seres humanos, como memorização, aprendizado, esquecimento, alerta e retorno à calma.

A rede foi construída integrando vários nanofios de prata (Ag) revestidos com uma camada isolante de polímero (PVP) com aproximadamente 1 nanômetro de espessura.

Uma junção entre dois nanofios forma um elemento resistivo variável, um memoristor, que funciona como um elemento sináptico, imitando uma sinapse neuronal - o memoristor, o quarto componente eletrônico fundamental, só teve sua existência confirmada há cerca de 10 anos.

Rede neuromórfica

A rede de componentes que interagem intrinsecamente forma uma rede neuromórfica - uma rede que imita o funcionamento cerebral. Quando uma tensão elétrica foi aplicada à rede, seu comportamento revela uma espécie de "esforço" para encontrar as vias ideais para que a corrente elétrica transite, ou seja, as vias eletricamente mais eficientes, uma vez que os fios são sobrepostos de forma aleatória, sem qualquer tipo de controle preciso.

A equipe mediu os processos de formação, retenção e desativação de vias por onde a corrente passava e descobriu que esses processos sempre flutuam à medida que progridem, de uma forma comparável aos processos de memorização, aprendizado e esquecimento do cérebro humano.

As flutuações temporais também se assemelham aos processos pelos quais o cérebro se torna alerta (a busca pelo caminho mais eficiente da corrente) ou volta à calma (a estabilização da corrente pela melhor rota encontrada).

As funções semelhantes a um cérebro simuladas pela rede neuromórfica ocorrem porque o grande número de memoristores trabalha coletivamente para otimizar o transporte da corrente elétrica, ou seja, é resultado de processos dinâmicos auto-organizados e emergentes, que não foram programados.

A rede de nanofios (a-c), a formação do memoristor pelo cruzamento de dois nanofios (d) e o mecanismo de medição (e-f).
[Imagem: Adrian Diaz-Alvarez et al. - 10.1038/s41598-019-51330-6]

Memória neuromórfica

A equipe agora está desenvolvendo um componente capaz de reter a memória usando o mesmo material da rede neuromórfica, de forma a começar a trabalhar nos primeiros processamentos reprodutíveis.

A ideia é que esse componente de memória funcione usando princípios fundamentalmente diferentes daqueles usados nos computadores atuais. Por exemplo, enquanto os computadores são projetados para gastar tanto tempo e eletricidade quanto necessário para encontrar soluções absolutamente ótimas, o novo dispositivo de memória pretende tomar uma decisão rápida dentro de limites específicos, mesmo que a solução gerada possa não ser absolutamente ótima - já é bem conhecido que processadores probabilísticos podem dar um impulso à computação.

A equipe também espera que esta pesquisa facilite a compreensão dos mecanismos de processamento de informações do cérebro.

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