Una nuova “mente elettronica” che simula l’apprendimento umano

I ricercatori hanno sviluppato un dispositivo simile al cervello in grado di apprendere per associazione. Proprio come il famoso psicologo Ivan Pavlov ha adattato i cani per associare il suono di una campana al cibo, gli scienziati delle università della Northwestern e di Hong Kong hanno adattato i loro circuiti per mettere in relazione la luce e la pressione.

I loro risultati sono stati pubblicati in Nature Communications.

Il segreto del dispositivo risiede nei nuovi “transistor sinaptici” organici ed elettrochimici che elaborano e immagazzinano informazioni come il cervello umano. I ricercatori hanno dimostrato che questo transistor può simulare la plasticità sia a breve che a lungo termine delle sinapsi nel cervello umano, attingendo ai ricordi per apprendere nel tempo.

Grazie alla sua capacità simile al cervello, questo nuovo transistor e circuito elettronico può spingere i confini dei computer tradizionali, inclusi i loro dispositivi ad alta intensità energetica e la loro limitata capacità di multitasking. Questo dispositivo simile al cervello è più resistente a rotture e problemi e quindi può continuare a funzionare efficacemente anche quando alcuni dei suoi componenti non sono attivi.

“Sebbene il computer moderno sia sorprendente, il cervello umano può facilmente sopraffarlo per risolvere compiti complessi e non strutturati, come il riconoscimento di schemi, il controllo motorio e l’integrazione multisensoriale”, afferma Jonathan Rivnay, uno degli autori principali dello studio. Ciò è dovuto alla flessibilità delle sinapsi, che sono gli elementi costitutivi della potenza di calcolo del cervello. Queste sinapsi consentono al cervello di funzionare in modo altamente parallelo, resistente ai problemi ed efficiente dal punto di vista energetico. Come parte del nostro lavoro, dimostriamo il lavoro di un transistor organico e plastico che duplica le funzioni principali di una sinapsi biologica. “

Informatica tradizionale e suoi problemi

I computer tradizionali hanno unità di elaborazione e archiviazione separate, quindi le attività che richiedono grandi quantità di informazioni consumano una grande quantità di energia. Ispirati dalla comune capacità di calcolo e archiviazione del cervello umano, i ricercatori nel corso degli anni hanno voluto progettare computer che funzionassero più come ciò che è tra due orecchie, con dispositivi simili alle reti neurali.

Attualmente, il resistore di memoria, il “memristor”, è la tecnologia più avanzata per combinare calcolo e archiviazione. Ma rimane ad alta intensità energetica e fornisce meno biocompatibilità. Questi inconvenienti hanno spinto gli scienziati a considerare il transistor sinaptico, in particolare il transistor sinaptico organico ed elettrochimico, che opera a bassa tensione, può fare affidamento su una memoria in continua evoluzione ed è ampiamente compatibile con l’uso biologico. Tuttavia, alcune insidie ​​devono ancora essere evitate.

“Anche i transistor entangled organici ed elettrochimici che funzionano particolarmente bene devono separare le operazioni di memorizzazione da quelle di lettura dei dati”, afferma Rivnay. “Quindi, se vuoi preservare i ‘ricordi’, devi separarli dal processo di backup, il che potrebbe complicare ulteriormente l’integrazione in circuiti o sistemi”.

Accendi il transistor di reticolazione

Per raggiungere il loro obiettivo, il team di Northwestern e Hong Kong hanno migliorato un materiale plastico che conduce l’elettricità all’interno di un transistor ad interblocco ed elettrochimico in grado di immagazzinare ioni. Nel cervello, una sinapsi è una struttura attraverso la quale un neurone può trasmettere segnali a un’altra cellula nervosa, utilizzando piccole molecole chiamate neurotrasmettitori.

In un transistor sinaptico, gli ioni si comportano in modo simile ai neurotrasmettitori, inviando segnali tra i terminali per formare sinapsi artificiali. Trattenendo i dati memorizzati in ioni prigionieri, il transistor ricorda attività antiche e sviluppa così elasticità a lungo termine.

I ricercatori hanno dimostrato il comportamento sinaptico del loro dispositivo collegando transistor sinaptici all’interno di un circuito neurale progettato per simulare l’apprendimento associativo. Hanno integrato sensori di pressione e luce in un circuito e hanno addestrato il circuito a collegare questi due “ingressi” fisici che non erano correlati tra loro.

Dopo il primo ciclo di allenamento, il circuito ha stabilito un’associazione tra luce e pressione. Dopo cinque giri, il circuito ha unito la luce in gran parte alla pressione. La luce da sola può attivare un segnale, una risposta “incondizionata”.

Applicazioni future

Poiché il circuito sinaptico è costituito da polimeri flessibili, come la plastica, può essere fabbricato su pannelli flessibili e incorporato in modo relativamente facile in dispositivi elettronici portatili, piccoli robot e dispositivi che possono essere impiantati all’interno o sotto il corpo. Dispositivi che sarebbero collegati direttamente ai tessuti viventi e persino al cervello.

“Se la nostra applicazione è la prova che questo concetto può funzionare, la nostra idea di circuito può essere ulteriormente sviluppata per includere più input sensoriali e integrata con altri dispositivi elettronici per consentire calcoli informatici efficienti dal punto di vista energetico”, afferma Rivnay.

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