Pela primeira vez, um sistema de computador que funciona como um cérebro (com água e íons) foi testado

Uma representação gráfica de uma sinapse artificial criada como parte de um novo estudo. A sinapse (circundada em roxo) consiste em esferas coloidais conectadas por nanocanais. © Universidade de Utrecht

Pesquisadores desenvolveram uma sinapse artificial que transmite informações de forma eficiente com a ajuda de água e íons, semelhante às sinapses em nossos cérebros. Esta é a primeira prova de conceito experimental para os chamados sistemas computacionais "iontron neuromorphic" destinados a melhorar a eficiência energética dos computadores convencionais.

Com o objetivo de melhorar a eficiência energética dos computadores, estão em andamento pesquisas no campo da computação neuromórfica, que, como o nome sugere, imita a forma como o cérebro processa informações. Entre outras coisas, esse tipo de sistema se afasta do processamento binário tradicional, usando um método analógico que está próximo ao cérebro. Essa tarefa se tornou primordial devido ao consumo de energia dos computadores, que está crescendo a uma taxa exponencial à medida que novas tecnologias (como blockchain e IA) surgem.

Entre as tecnologias em estudo estão os memristors, componentes eletrônicos passivos que restringem o fluxo de eletricidade em um circuito. Eles podem armazenar memória sem estar conectado a uma fonte de energia e reter os impulsos elétricos que passam por eles mesmo quando estão desativados (ou desligados). Portanto, eles podem se tornar promissores análogos artificiais de sinapses biológicas. Eles transmitem sinais nervosos de um neurônio para outro usando neurotransmissores iônicos.

No entanto, até agora, esses dispositivos tiveram severas limitações devido à sua estrutura, que é composta essencialmente por semicondutores. Isso significa que eles só podem transmitir informações elétricas, ao contrário das sinapses, que podem transmitir sinais elétricos e químicos (neurotransmissores). Além disso, ao contrário das sinapses, que funcionam em um ambiente aquoso contendo uma ampla gama de neurotransmissores, os memristores convencionais são significativamente limitados nos ambientes em que podem ser usados.

Para superar essas limitações, pesquisadores da Universidade de Utrecht (Holanda) e da Universidade de Sogang (Coreia do Sul) estão propondo um novo conceito de computação neuromórfica iontron. Este sistema é inspirado não só pela arquitetura das sinapses, mas também pelo ambiente aquático em que estão imersos para transmitir sinais nervosos. Os dispositivos iontrônicos usam íons que se movem em um fluido para transmitir informações, potencialmente fornecendo o mesmo desempenho e plasticidade que as sinapses naturais.

"Este é um passo crucial para a criação de computadores que possam não apenas imitar a maneira como o cérebro humano se comunica, mas também usar o mesmo meio", explica o autor principal Tim Kamsma em um comunicado de imprensa da Universidade de Utrecht.

Replicar eficientemente o comportamento das sinapses biológicas

Os memristores iontronic podem se tornar portadores universais de informações que podem ser regulados quimicamente. Pesquisas recentes também mostraram que, imitando com precisão sinapses naturais, elas podem ser integradas a sistemas biológicos.

Embora vários dispositivos desse tipo tenham sido propostos no passado, demonstrações experimentais permaneceram limitadas. No novo estudo, os pesquisadores propõem um dispositivo mais estável, capaz de transmitir informações por longos períodos de tempo, facilitando a adaptação a sistemas computacionais. "Embora já existam sinapses artificiais capazes de processar informações complexas com base em materiais sólidos, mostramos pela primeira vez que isso também pode ser alcançado com água e sal [íons]", explica Kamsma.

O dispositivo, descrito na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, consiste em um minúsculo aparelho de 200 micrômetros de comprimento e 150 micrômetros de largura. Consiste em um microcanal em forma de cone preenchido com uma solução iônica. A sinapse é composta por esferas coloidais conectadas por nanocanais. Quando um pulso elétrico é aplicado ao sistema, os íons se movem através do canal, causando uma mudança na concentração de íons na solução.

Imagem microscópica de uma sinapse artificial. © por Tim Kamsma, et al

"Replicamos eficientemente o comportamento dos neurônios com um sistema que usa o mesmo ambiente do cérebro", diz Kamsma. De fato, a condutividade do canal muda em paralelo com a concentração de íons na solução, mimetizando mudanças nas conexões entre sinapses naturais. De acordo com especialistas, o grau de mudança na condutividade reflete a natureza do impulso elétrico transmitido.

Além disso, o comprimento do canal afeta o tempo necessário para que os íons migrem para fora da solução. "Isso sugere que é possível adaptar os canais para reter e processar informações por diferentes durações, semelhantes aos mecanismos sinápticos vistos em nossos cérebros", explica o especialista.

No entanto, apesar desses avanços, a computação neuromórfica iontrônica ainda está engatinhando. Apesar das especulações de que esse tipo de tecnologia poderia reduzir significativamente o consumo de energia dos computadores, as possíveis aplicações permanecem em grande parte especulativas, pelo menos por enquanto. No entanto, "nossas descobertas representam um passo importante para realizar a promessa de usar canais iônicos fluidos como uma plataforma para emular a dinâmica do cérebro de água saturada", concluem Kamsma e colegas em seu artigo.