Rede neural de nanofios aprende e lembra como um cérebro humano

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/05/2023

Fotografia da rede de nanofios (à esquerda), e os caminhos da rede mudando e se fortalecendo (à direita).
[Imagem: Alon Loeffler]

Computação neural não viva

No ano passado, uma equipe da Austrália e do Japão demonstrou uma rede neural em hardware que opera no limite do caos, um dos exemplos de um campo emergente de pesquisas nos quais a computação é feita por materiais não biológicos, mas que imitam a funcionalidade do cérebro.

Agora, eles descobriram que os nanofios que compõem seu hardware também apresentam memórias de curto e de longo prazos, imitando ainda mais de perto o cérebro humano.

E isso significa que esse hardware não apenas implementa uma computação neuromórfica e uma inteligência artificial em hardware, mas também pode eliminar o gargalo da separação entre processamento e armazenamento de dados da computação eletrônica tradicional.

"Este trabalho se baseia em nossa pesquisa anterior, na qual mostramos como a nanotecnologia pode ser usada para construir um dispositivo elétrico inspirado no cérebro com circuitos semelhantes a redes neurais e sinalização semelhante a sinapses.

"Nosso trabalho atual abre caminho para replicar o aprendizado e a memória semelhantes ao cérebro em sistemas de hardware não biológicos e sugere que a natureza subjacente da inteligência semelhante ao cérebro pode ser física," disse o professor Alon Loeffler, da Universidade de Sydney.

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A rede neural de nanofios passou em um teste de memória comumente aplicado pelos psicólogos.
[Imagem: Loeffler et al. -10.1126/sciadv.adg3289]

Rede neural de nanofios

As redes de nanofios são um tipo de nanotecnologia normalmente feita de minúsculos fios de prata altamente condutores, invisíveis a olho nu, cobertos por um material plástico, espalhados uns pelos outros como uma malha. Os fios imitam aspectos da estrutura física em rede de um cérebro humano porque, onde eles se sobrepõem, eles formam componentes conhecidos como memoristores.

"Esta rede de nanofios é como uma rede neural sintética porque os nanofios funcionam como neurônios e os locais onde eles se conectam são análogos às sinapses," disse o professor Zdenka Kuncic. "Em vez de meramente implementar algum tipo de tarefa de aprendizado de máquina, este estudo deu um passo adiante e tentou demonstrar que as redes de nanofios exibem algum tipo de função cognitiva."

Para testar as capacidades dessa rede, os pesquisadores fizeram um teste semelhante a uma tarefa de memória comumente usada em experimentos de psicologia humana, chamada de tarefa n-back. Para uma pessoa, uma tarefa dessas pode envolver a lembrança de uma imagem específica de um gato a partir de uma série de imagens de felinos apresentadas em sequência em uma tela. Uma nota 7 - a média para as pessoas - indica que a pessoa pode reconhecer uma mesma imagem que apareceu sete passos atrás.

Quando o teste foi aplicado à rede de nanofios, os pesquisadores constataram que a rede neuromórfica consegue lembrar o elemento alvo desejado em um circuito elétrico, e essa lembrança alcança justamente sete passos atrás, o que significa uma pontuação de 7 em um teste n-back.

"O que fizemos aqui foi manipular as voltagens dos eletrodos finais para forçar os caminhos a mudar, em vez de deixar a rede fazer seu próprio trabalho. Forçamos os caminhos a irem para onde queríamos que fossem," explicou o professor Loeffler. "Quando implementamos isso, sua memória teve uma precisão muito maior e realmente não diminuiu com o tempo, sugerindo que encontramos uma maneira de fortalecer os caminhos para empurrá-los para onde queremos, e então a rede se lembra disso."

Reforço da memória

Os pesquisadores afirmam que, quando a rede de nanofios é constantemente reforçada, chega um ponto em que esse reforço não é mais necessário porque a informação é consolidada na memória.

É como se uma memória de curto prazo se consolidasse como uma memória de longo prazo, como acontece quando aprendemos algo por repetição.

Muitos neurocientistas acreditam que é assim que o cérebro humano funciona, com as memórias sendo armazenadas por reforço das conexões sinápticas.

"Se queremos nos lembrar de algo por um longo período de tempo, realmente precisamos continuar treinando nossos cérebros para consolidar isso, caso contrário, aquilo simplesmente desaparece com o tempo. Uma tarefa mostrou que a rede de nanofios pode armazenar até sete itens na memória, em níveis substancialmente mais altos do que o acaso, sem treinamento de reforço e precisão quase perfeita com treinamento de reforço," disse Kuncic.

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