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Células eletrônicas inovadoras podem aprender como um cérebro humano

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Uma nova sinapse artificial inovadora pode abrir caminho para a criação de computadores que operam como o cérebro humano e, potencialmente, um dia permitir eletrônicos que possam se integrar perfeitamente ao nosso próprio córtex. A computação neuromórfica tem como objetivo modelar os circuitos eletrônicos da maneira como os cérebros biológicos funcionam, mas tentar fazer com que esses circuitos operem com a mesma eficiência que o que cresce dentro de nossos crânios – assim como aprender como as células cerebrais – provou ser complicado.

Um dos maiores desafios são as interconexões. No cérebro, as sinapses unem os neurônios e são usadas para transportar os chamados “potenciais de ação” entre eles. Essas são mensagens de carga muito baixa, na região de 80 milivolts.

Tentar reduzir os computadores a níveis semelhantes para suas interconexões, no entanto, tem sido um grande obstáculo. Convencionalmente, eles veriam cargas de mais de 1 volt, por exemplo. Isso significa que as tentativas de construir “cérebros” artificiais são dificultadas pela ineficiência.

Agora, uma equipe da Universidade de Massachusetts Amherst afirma ter descoberto uma alternativa artificial às sinapses biológicas. Em suas pesquisas sobre nanofios de proteínas, eles criaram um design para um memristor neuromórfico, ou “transistor de memória”, que funciona em níveis de tensão na mesma faixa que o cérebro. Um estudo sobre a tecnologia foi publicado hoje na Nature Communications.

O nanofio de proteína foi retirado da bactéria, desenvolvida pelo colega microbiologista da UMass Amherst e co-autor do novo estudo, Derek Lovely. Elas têm a vantagem de serem mais estáveis ​​em líquidos como água ou fluidos corporais, em comparação com o nanofio de silício, que tem sido outra área de foco dos pesquisadores da área. Cortando os nanofios das bactérias, eles podem usar a proteína condutora para seus experimentos.

“É a primeira vez que um dispositivo pode funcionar no mesmo nível de tensão do cérebro”, explica o co-autor do estudo, Jun Yao. “As pessoas provavelmente nem se atreveram a esperar que pudéssemos criar um dispositivo que fosse tão eficiente em termos de energia quanto as contrapartes biológicas em um cérebro, mas agora temos evidências realistas de recursos de computação com potência ultra baixa. É uma inovação de conceito e achamos que isso causará muita exploração em eletrônicos que funcionam no regime de voltagem biológica. ”

Ao passar pequenos pulsos on-off em carga positiva e negativa através de um nanofio em um memristor, novas marcas e conexões foram criadas no interior. Os pesquisadores dizem que é semelhante à maneira como o cérebro humano aprende, construindo novas conexões como lembranças.

“Você pode modular a condutividade ou a plasticidade da sinapse nanofios-memristores para que ele possa emular componentes biológicos para a computação inspirada no cérebro”, diz Yao. Comparado a um computador convencional, este dispositivo possui um recurso de aprendizado que não é baseado em software. ”

Para que isso fosse realmente útil, a velocidade tinha que coincidir com as sinapses biológicas. Chegar a esse ponto levou cerca de dois anos, dizem os pesquisadores. Ainda estamos longe de sermos capazes de construir um verdadeiro cérebro artificial, mas há outras aplicações que Yao e o primeiro autor do estudo Tianda Fu acreditam que são possíveis. Isso pode incluir dispositivos que monitorem melhor a freqüência cardíaca, abrindo caminho para um dispositivo que “possa conversar com neurônios reais em sistemas biológicos”, sugere Yao.

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