Cómo hacer que los chips de computadora actúen más como células cerebrales
El cerebro humano es una asombrosa máquina de computación. Con un peso de solo tres libras aproximadamente, puede procesar información mil veces más rápido que la supercomputadora más rápida, almacenar mil veces más información que una computadora portátil poderosa y hacerlo todo utilizando la energía de una bombilla de 20 vatios.
Los investigadores están tratando de replicar este éxito utilizando materiales orgánicos blandos y flexibles que pueden operar como neuronas biológicas y que algún día incluso podrían interconectarse con ellas. Eventualmente, se podrían implantar chips de computadora “neuromórficos” blandos directamente en el cerebro, lo que permitiría a las personas controlar un brazo artificial o un monitor de computadora con solo pensar en ello.
Al igual que las neuronas reales, pero a diferencia de los chips de computadora convencionales, estos nuevos dispositivos pueden enviar y recibir señales químicas y eléctricas. “Tu cerebro funciona con químicos, con neurotransmisores como la dopamina y la serotonina. Nuestros materiales pueden interactuar electroquímicamente con ellos”, dice Alberto Salleo, científico de materiales de la Universidad de Stanford que escribió sobre el potencial de los dispositivos neuromórficos orgánicos en la Revisión anual de investigación de materiales de 2021.
Salleo y otros investigadores han creado dispositivos electrónicos utilizando estos materiales orgánicos blandos que pueden actuar como transistores (que amplifican y conmutan señales eléctricas) y células de memoria (que almacenan información) y otros componentes electrónicos básicos.
El trabajo surge de un creciente interés en los circuitos informáticos neuromórficos que imitan cómo funcionan las conexiones neuronales humanas, o sinapsis. Estos circuitos, ya sean de silicio, metal o materiales orgánicos, funcionan menos como los de las computadoras digitales y más como las redes de neuronas del cerebro humano.
Las computadoras digitales convencionales funcionan paso a paso y su arquitectura crea una división fundamental entre el cálculo y la memoria. Esta división significa que los unos y los ceros deben intercambiarse entre ubicaciones en el procesador de la computadora, creando un cuello de botella para la velocidad y el uso de energía.
El cerebro hace las cosas de manera diferente. Una neurona individual recibe señales de muchas otras neuronas, y todas estas señales juntas afectan el estado eléctrico de la neurona receptora. En efecto, cada neurona sirve tanto como un dispositivo de cálculo, integrando el valor de todas las señales que ha recibido, como un dispositivo de memoria: almacenando el valor de todas esas señales combinadas como un valor analógico infinitamente variable, en lugar de cero o cero. -uno de ordenadores digitales.
Los investigadores han desarrollado una serie de diferentes dispositivos “memristivos” que imitan esta capacidad. Cuando pasas corriente eléctrica a través de ellos, cambias la resistencia eléctrica. Al igual que las neuronas biológicas, estos dispositivos calculan sumando los valores de todas las corrientes a las que han estado expuestos. Y recuerdan a través del valor resultante de sus tomas de resistencia.
Un memristor orgánico simple, por ejemplo, podría tener dos capas de materiales conductores de electricidad. Cuando se aplica el voltaje, la corriente eléctrica impulsa los iones cargados positivamente de una capa a la otra, cambiando la facilidad con la que la segunda capa conducirá la electricidad la próxima vez que se exponga a una corriente eléctrica. (Ver el diagrama). “Es una forma de dejar que la física de la computación”, dice Matthew Marinella, ingeniero informático de la Universidad Estatal de Arizona en Tempe, que investiga la computación neuromórfica.
