Componente biológico chega para impulsionar processadores que imitam o cérebro

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/06/2020

Uma representação gráfica dos nanofios de proteína (verde) colhidos da geobactéria (laranja) permitiu que o memoristor (prata) funcionasse com tensões biológicas, emulando os componentes neuronais (junções azuis) no cérebro.
[Imagem: UMass Amherst/Yao Lab]

Computadores neuromórficos

Quando os componentes eletrônicos dotados de memória - os memoristores - surgiram, pouco mais de 10 anos atrás, emergiu todo um novo ramo da computação, conhecido agora como computação neuromórfica.

Tornou-se possível construir processadores que imitam o funcionamento do cérebro porque, ao terem memória, os memoristores funcionam como sinapses artificiais.

Mas esses componentes são feitos de nanofios metálicos ou semicondutores, e a ideia de construir um processador neuromórfico de base biológica permanecia um sonho que muitos acreditavam estar a décadas de se mostrar factível.

Tianda Fu e seus colegas da Universidade de Massachusetts, contudo, acabam de demonstrar que memoristores que realmente funcionem como as sinapses biológicas estão não apenas ao alcance da tecnologia atual, como também que esses componentes bioinspirados são extremamente eficientes.

Memoristor quase biológico

Um dos maiores obstáculos para uma computação neuromórfica mais próxima do biológico é que a maioria dos componentes eletrônicos dos computadores atuais exige mais de 1 volt para funcionar, enquanto o cérebro envia seus sinais - os chamados potenciais de ação - entre os neurônios com cerca de 80 milivolts (mV). Depois de uma década de desenvolvimento, a tensão dos memoristores alcançou a faixa dos computadores eletrônicos, mas parecia improvável que essa queda continuasse.

Por isso Fu saltou direto dos nanofios metálicos para os nanofios biológicos, estruturas microscópicas produzidas, entre outros, pela geobactéria (Geobacter sulfurreducens). São nanofios "quase metálicos" e que já vinham alimentando expectativas de uma nanoeletrônica mais verde por serem tão eficientes que deixam as nanotecnologias sintéticas na poeira.

E eles conseguiram construir memoristores robustos e de alta eficiência usando os nanofios biológicos - tudo funciona com tensões na faixa de 40-100 mV.

"É a primeira vez que um componente consegue funcionar no mesmo nível de tensão do cérebro. As pessoas provavelmente nem se atreveram a esperar que pudéssemos criar um dispositivo que fosse tão eficiente em termos de energia quanto as equivalentes biológicas em um cérebro, mas agora temos evidências realistas de capacidade computacional com potência ultrabaixa. É um conceito que rompe com o passado, e acreditamos que ele será largamente explorado em eletrônicos que funcionem no regime da voltagem biológica," disse o professor Jun Yao, cuja equipe demonstrou recentemente o uso dos nanofios biológicos para capturar eletricidade diretamente do ar.

Esquema dos componentes computacionais inspirados na biologia cerebral.
[Imagem: Tianda Fu et al. - 10.1038/s41467-020-15759-y]

Nanofios biológicos

Para testar o memoristor biológico, Fu conectou a ele dois eletrodos metálicos, pelos quais foi fornecido um padrão alternado de cargas positivas e negativas, criando uma chave - um tipo de transístor.

Ele usou fios metálicos para conexão porque os nanofios de proteína facilitam a redução de metal, alterando a reatividade de íons metálicos e as propriedades de transferência de elétrons - essa redução do metal é na verdade o processo de "respiração" da bactéria, que reduz quimicamente os metais para obter sua energia.

À medida que os pulsos ligados-desligados criam alterações nos filamentos metálicos, novas ramificações e conexões são criadas no componente, um efeito semelhante ao aprendizado, feito por meio de novas conexões em um cérebro real.

"Você pode modular a condutividade ou a plasticidade da sinapse nanofio-memoristor para que ele possa emular componentes biológicos para a computação inspirada no cérebro. Em comparação com um computador convencional, este dispositivo possui um recurso de aprendizado que não é baseado em software," disse Yao.

A equipe destaca que os nanofios de proteínas eletricamente condutoras da Geobacter oferecem muitas vantagens em relação aos nanofios de silício, que exigem produtos químicos tóxicos e processos de alta energia para serem produzidos. E os nanofios de proteínas também são mais estáveis em água ou em fluidos corporais, uma característica importante para aplicações biomédicas.

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