Neurônios artificiais acionados por luz imitam processamento do cérebro

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/04/2025

Conceito e esquema dos neurônios artificiais ópticos.
[Imagem: Bejoys Jacob et al. - 10.1038/s41598-025-90265-z]

Neuromórfica óptica

A computação neuromórfica tenta replicar a capacidade de processamento das redes neurais biológicas. No cérebro, os neurônios funcionam com base em disparos rítmicos para codificar sinais, reconhecer padrões e fazer a sincronização das redes. Todas essas funções dependem de atividades oscilatórias para transmissão e processamento dos sinais.

Para imitar isso, o mais comum tem sido criar neurônios e sinapses artificiais que funcionam com base em estímulos elétricos, mecânicos ou térmicos. Mas sistemas baseados em luz oferecem vantagens em velocidade, eficiência energética e miniaturização. Já foram demonstradas sinapses fotônicas antes, mas as implementações exigem circuitos adicionais que aumentam o consumo de energia e a complexidade, confiscando os ganhos.

Bejoys Jacob e colegas do Laboratório Ibérico Internacional de Nanotecnologia, em Portugal, superaram essas deficiências, criando um dispositivo integrado que realiza tanto a recepção sensorial quanto o comportamento oscilatório, tudo funcionando com luz, mas sem a necessidade de qualquer circuito externo adicional.

Os dispositivos apresentaram comportamento oscilatório estável ao longo de ciclos de medição prolongados (>10³ ciclos), confirmando uma operação confiável sob condições controladas. A óptica modulada por pulsos permitiu obter controle sobre a excitação e a inibição dos disparos neuronais em rajada, demonstrando a viabilidade de codificar a entrada sensorial em sinais espaço-temporais semelhantes aos sinais neurais.

Os resultados confirmaram que neurônios fotônicos neuromórficos podem ser fabricados usando fotodetectores, integrando o processamento de entrada sensorial e a computação neural oscilatória em um único componente semicondutor miniaturizado, um marco para a computação neuromórfica tanto em termos técnicos quanto em termos de viabilização econômica.

Protótipos do sistema integrado de oscilações induzidas por luz que imitam os sinais neuronais.
[Imagem: Bejoys Jacob et al. - 10.1038/s41598-025-90265-z]

Oscilações neurais

O componente fundamental é um diodo de tunelamento ressonante, um fotodetector que usa a luz para controlar a resistência diferencial negativa, fabricado com um único semicondutor, o arseneto de gálio, já usado em tecnologias como o radar de luz (lidar).

Esses fotodetectores, com dimensões entre seis e dez micrômetros, funcionam como neurônios oscilatórios artificiais ativados por luz infravermelha próxima. Isto significa que sua resposta elétrica responde à tensão aplicada, com a corrente elétrica primeiro subindo, depois caindo e então subindo novamente.

Em condições de escuridão, os componentes apresentaram apenas resistência diferencial positiva, sem oscilações. Mas, quando expostos a níveis controlados de luz infravermelha próxima, emergiu uma região ativada por luz, levando à geração de oscilações de voltagem autossustentadas.

As oscilações de disparo podem ser ativadas ou suprimidas controlando a potência da luz de entrada. Em intensidades de luz ótimas, o componente apresenta oscilações de rajada estáveis e periódicas, assemelhando-se à atividade oscilatória observada nos neurônios biológicos. Essas oscilações ocorrem em frequências em torno de 350 quilohertz e são ajustáveis com base na tensão de polarização e nas condições de iluminação.

Este é um avanço importante rumo a sistemas de visão artificial de alta velocidade e alta eficiência energética, além de aplicações em computação de borda e computação bioinspirada.

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