Engenheiros da Northwestern University criaram neurônios artificiais impressos que vão além da simulação e podem se comunicar diretamente com as células cerebrais. Esses dispositivos flexíveis e de baixo custo geram sinais elétricos que se assemelham muito aos gerados por neurônios vivos, permitindo-lhes ativar o tecido cerebral biológico.
Em experimentos usando fatias de cérebro de camundongos, neurônios artificiais imitaram com sucesso neurônios reais. Este resultado mostra um novo nível de compatibilidade entre dispositivos eletrônicos e sistemas neurais vivos.
Rumo a interfaces cerebrais e IA com eficiência energética
Esse avanço aproxima os pesquisadores da eletrônica que pode interagir diretamente com o sistema nervoso. Os usos potenciais incluem interfaces cérebro-máquina e neuropróteses, como implantes que podem ajudar a restaurar a audição, a visão ou o movimento.
A tecnologia também aponta para uma nova geração de sistemas de computação inspirados no cérebro. Ao replicar a forma como os neurônios se comunicam, o hardware futuro poderá realizar tarefas complexas usando muito menos energia. O cérebro é conhecido por ser o sistema de computação com maior eficiência energética e os cientistas esperam aplicar os seus princípios à tecnologia moderna.
O estudo será publicado na revista em 15 de abril Nanotecnologia da Natureza.
“O mundo em que vivemos hoje é dominado pela inteligência artificial (IA)”, disse Mark C. Harsam, da Northwestern, que liderou o estudo. “A maneira de tornar a IA mais inteligente é treiná-la com mais dados. Esse treinamento com uso intensivo de dados leva a um enorme problema de consumo de energia. Portanto, precisamos criar um hardware mais eficiente para lidar com big data e IA. Como o cérebro é cinco ordens de magnitude mais eficiente em termos de energia do que um computador digital, faz sentido procurar um cérebro no próximo computador. “
Harsom é especialista em computação inspirada no cérebro e ocupou vários cargos na Northwestern University, incluindo Walter P. Murphy. Ele também é professor de medicina na Faculdade de Medicina Feinberg da Northwestern University e professor de Química na Faculdade de Artes e Ciências Weinberg. Além disso, ele atua como Presidente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Diretor do Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais e membro do Instituto Internacional de Nanotecnologia. Ele é Vinod. Co-liderou o estudo com Sangwan, professor associado de pesquisa da McCormick.
Por que os cérebros superam o silício tradicional
Os computadores modernos lidam com cargas de trabalho crescentes, empacotando bilhões de transistores idênticos em chips de silício rígidos e bidimensionais. Cada elemento se comporta da mesma forma e, uma vez criado, o sistema é estático.
O cérebro funciona de maneira muito diferente. Consiste em muitos tipos de neurônios, cada um com uma função especializada, dispostos em uma rede tridimensional suave. Essas redes mudam constantemente, fazem conexões e se ajustam à medida que ocorre o aprendizado.
“O silício atinge complexidade por ter bilhões de dispositivos idênticos”, disse Harsam. “Uma vez fabricado, tudo é igual, rígido e fixo. O cérebro é o oposto. É heterogêneo, dinâmico e tridimensional. Para avançar nessa direção precisamos de novos materiais e novas formas de fabricar eletrônicos.”
Embora os neurônios artificiais já tenham sido desenvolvidos antes, a maioria produz sinais muito simples. Para alcançar um comportamento mais complexo, os engenheiros normalmente precisam de redes maiores de dispositivos, o que aumenta o consumo de energia.
Materiais imprimíveis permitem comportamento semelhante ao do cérebro
Para replicar melhor a atividade neural real, a equipe de Hersam criou neurônios artificiais usando materiais macios e imprimíveis que se aproximam mais da estrutura do cérebro. Seu método depende de tinta eletrônica feita de flocos de dissulfeto de molibdênio (MoS) em nanoescala.2), que atua como semicondutor, e o grafeno, que atua como condutor elétrico. Esses materiais foram depositados em superfícies poliméricas flexíveis por meio de impressão a jato de aerossol.
Anteriormente, os pesquisadores consideravam o polímero dessa tinta um defeito porque interferia no desempenho elétrico. Como resultado, eles o removem após a impressão. Neste trabalho, a equipe utilizou o mesmo recurso para melhorar o aparelho.
“Em vez de remover completamente o polímero, nós o decompomos parcialmente”, disse ele. “Então, quando passamos a corrente pelo dispositivo, provocamos uma maior decomposição do polímero. Essa decomposição ocorre de forma espacialmente homogênea, resultando na formação de um filamento condutor, de modo que toda a corrente é comprimida em uma região estreita do espaço.”
Esta estreita via de condução produz uma resposta elétrica repentina semelhante ao disparo de neurônios. O dispositivo resultante pode produzir uma variedade de sinais, incluindo picos únicos, disparos contínuos e padrões de rajada, que se assemelham muito às comunicações neurais reais.
Como cada neurônio artificial pode gerar sinais mais complexos, são necessários menos componentes para realizar tarefas avançadas. Isso pode melhorar significativamente a eficiência da computação.
Testando neurônios artificiais em tecido cerebral real
Para avaliar se os neurônios artificiais podem realmente se comunicar com os sistemas vivos, os pesquisadores Indira M. Raman, Weinberg fazem parceria com o professor de neurobiologia Bill e Gail Cook. Sua equipe aplicou sinais artificiais em fatias de cerebelo de camundongos.
Os resultados mostraram que os picos eléctricos correspondiam às principais características biológicas, incluindo o seu tempo e duração. Esses sinais ativam neurônios reais de maneira confiável e acionam circuitos neurais de maneira semelhante à atividade cerebral natural.
“Outros laboratórios tentaram fabricar neurônios artificiais com biomateriais e eles cresceram muito lentamente”, disse Harsam. “Ou eles usaram óxido metálico, que é muito rápido. Estamos em uma faixa temporal que não foi demonstrada antes para neurônios artificiais. Você pode ver neurônios vivos respondendo aos nossos neurônios artificiais. Então, demonstramos sinais que não apenas têm a escala de tempo certa, mas também o formato de pico certo para se comunicarem diretamente com os neurônios vivos.”
Fabricação sustentável e de baixo custo e impacto da IA
Além do desempenho, a nova abordagem oferece benefícios ambientais e práticos. O processo de fabricação é simples e barato, e o método de impressão aditiva coloca o material somente onde é necessário, reduzindo o desperdício.
Melhorar a eficiência energética é particularmente importante à medida que aumenta a procura de sistemas de inteligência artificial. Os grandes data centers já consomem grandes quantidades de energia e requerem uma quantidade significativa de água para resfriamento.
“Para atender às necessidades energéticas da IA, as empresas de tecnologia estão construindo centros de dados de gigawatts alimentados por usinas nucleares dedicadas”, disse Harsam. “Está claro que esse enorme consumo de energia limitará o dimensionamento adicional da computação porque é difícil imaginar um data center de próxima geração exigindo 100 usinas nucleares. O outro problema é que quando você desperdiça gigawatts de energia, há muito calor. Como os data centers são resfriados com água, precisamos impulsionar a IA. Com hardware mais eficiente em termos de energia para IA.”
Estudo, “Neurônios que aumentam a complexidade de múltiplas ordens habilitados por MoS impresso2 “Memory Nanosheet Networks” foi apoiado pela National Science Foundation.
