Novo dispositivo eletrônico é capaz de "aprender" tal qual o cérebro humano

Um dispositivo capaz de simular o aprendizado como se fosse um cérebro humano. A ideia foi colocada em prática por pesquisadores da Universidade Northwestern, nos EUA, e da Universidade de Hong Kong, na China, que conseguiram criar um circuito que “aprende” por meio da associação.

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Eles utilizaram transistores sinápticos eletroquímicos e orgânicos que processam e armazenam informações de um jeito muito semelhante ao que ocorre no cérebro humano. Esses transistores conseguem imitar a plasticidade cerebral e construir blocos de memórias com o passar do tempo.

"O cérebro humano pode facilmente superar computadores modernos em tarefas complexas, como a integração multissensorial. Isso se deve à plasticidade da sinapse, que é o bloco de construção básico do cérebro. Essas sinapses permitem que o cérebro trabalhe de maneira paralela, tolerante a falhas e com eficiência energética e o transistor de plástico orgânico imita essas funções da sinapse biológica muito bem”, explica o professor Jonathan Rivnay.

Diferentes das CPUs

Sistemas comuns de computação possuem unidades de processamento e armazenamento separadas. Quando as tarefas exigem a transferência de muitos dados, esse processo consome grandes quantidades de energia.

Agora, os pesquisadores conseguiram otimizar esse trabalho, combinando computação e armazenamento de dados em matrizes que funcionam como uma espécie de rede de neurônios.

"A forma como nossos sistemas de computador atuais funcionam é que a memória e a lógica são fisicamente separadas. Você realiza cálculos e envia essas informações para uma unidade de memória. Então, toda vez que precisar dessas informações, você deve recuperá-las. Ao juntarmos essas duas funções, podemos economizar espaço e energia", afirma o professor Xudong Ji.

Os transistores sinápticos operam com tensões baixas e com uma memória que pode ser continuamente ajustável, além da alta compatibilidade para realizar aplicações biológicas, mais eficientes e confiáveis do que os chips de computador atuais.

Neurônios de plástico

Ao contrário dos equipamentos comuns, o dispositivo criado pelos pesquisadores possui um material plástico condutivo dentro do transistor eletroquímico orgânico que é capaz de capturar íons.

No cérebro uma sinapse ocorre quando um neurônio transmite sinais para outro neurônio, utilizando moléculas chamadas de neurotransmissores. No transistor sináptico, os íons têm um comportamento parecido ao enviar sinais entre os terminais para formar sinapses artificiais.

A retenção de dados dos íons aprisionados faz com que o transistor consiga “se lembrar” de atividades já realizadas, desenvolvendo uma memória de longa duração.

No laboratório

Para demonstrar as propriedades do novo dispositivo, os pesquisadores conectaram transistores sinápticos únicos em um circuito neuromórfico, simulando o aprendizado associativo do cérebro humano.

Eles se basearam em um experimento famoso de aprendizagem associativa conhecido como cachorro de Pavlov. Nele, o animal que babava naturalmente quando encontrava comida, depois de ser condicionado ao som de um sino, também começava a babar apenas ao ouvir o sino.

No circuito, os cientistas colocaram sensores de pressão e de luz e treinaram esse circuito para associar os dois detectores ao mesmo tempo. Depois de um ciclo completo de treinamento, o circuito fez uma conexão inicial entre a luz e a pressão. Após cinco ciclos, a luz, sozinha, conseguiu disparar um sinal, sem que houvesse a necessidade de aplicar pressão.

Possibilidades

O circuito sináptico é feito com polímeros macios que podem ser fabricados em materiais flexíveis. Eles poderiam ser usados em componentes eletrônicos leves ou vestíveis, em robôs e até mesmo em dispositivos implantados no cérebro.

"Por ser compatível com ambientes biológicos, o dispositivo pode interagir diretamente com o tecido vivo, o que é crítico para a bioeletrônica de próxima geração", conclui o professor Rivnay.

Ao fazer uma ponte direta com tecidos vivos, o circuito sináptico poderá recuperar áreas danificadas do cérebro, utilizando dispositivos minimamente invasivos. Embora o protótipo comprove a aplicabilidade do conceito, ainda resta um longo caminho para que um pedaço de plástico substitua toda a complexidade do cérebro humano.

Fonte: Northwestern University