Hace solo 10 años, los científicos que trabajaban en lo que esperaban que abriera una nueva frontera de la informática neuromórfica solo podían soñar con un dispositivo que utilizara herramientas en miniatura llamadas memristors que funcionarían / funcionarían como sinapsis cerebrales reales.
Pero ahora un equipo de la Universidad de Massachusetts, Amherst, descubrió, mientras se dirigían a comprender mejor los nanocables de proteínas, cómo usar estos filamentos biológicos que conducen electricidad para hacer un dispositivo neuromorfo o "transistor de memoria".extremadamente eficiente en muy baja potencia, como lo hacen los cerebros, para transportar señales entre las neuronas. Comunicaciones de la naturaleza .
Como explica el primer autor Tianda Fu, candidato a doctorado en ingeniería eléctrica e informática, uno de los mayores obstáculos para la informática neuromórfica, y uno que lo hizo parecer inalcanzable, es que la mayoría de las computadoras convencionales funcionan a más de 1 voltio,mientras que el cerebro envía señales llamadas potenciales de acción entre las neuronas en alrededor de 80 milivoltios, muchas veces más bajas. Hoy, una década después de los primeros experimentos, el voltaje de la memoria se ha alcanzado en un rango similar al de la computadora convencional, pero llegar por debajo de eso parecía improbable, agrega.
Fu informa que utilizando nanocables de proteínas desarrollados en UMass Amherst a partir de la bacteria Geobacter por el microbiólogo y coautor Derek Lovely, ahora ha llevado a cabo experimentos en los que los memristores han alcanzado voltajes neurológicos. Esas pruebas se llevaron a cabo en el laboratorio de ingeniería eléctrica e informática.investigador y coautor Jun Yao.
Yao dice: "Esta es la primera vez que un dispositivo puede funcionar al mismo nivel de voltaje que el cerebro. La gente probablemente ni siquiera se atrevió a esperar que pudiéramos crear un dispositivo que sea tan eficiente en energía como sus contrapartes biológicasen un cerebro, pero ahora tenemos evidencia realista de capacidades informáticas de potencia ultra baja. Es un avance conceptual y creemos que va a causar mucha exploración en la electrónica que funciona en el régimen de voltaje biológico ".
Lovely señala que los nanocables de proteínas conductores de electricidad de Geobacter ofrecen muchas ventajas sobre los caros nanocables de silicio, que requieren productos químicos tóxicos y procesos de alta energía para producirlos. Los nanocables de proteínas también son más estables en agua o fluidos corporales, una característica importante para aplicaciones biomédicas.Para este trabajo, los investigadores cortan los nanocables de las bacterias para que solo se use la proteína conductora, agrega.
Fu dice que él y Yao se habían propuesto poner a prueba los nanocables purificados, para ver de lo que son capaces a diferentes voltajes, por ejemplo. Experimentaron con un patrón intermitente de carga positiva-negativa enviada a través deun pequeño hilo de metal en un memristor, que crea un interruptor eléctrico.
Utilizaron un hilo metálico porque los nanocables de proteínas facilitan la reducción de metales, cambiando la reactividad de iones metálicos y las propiedades de transferencia de electrones. Lovely dice que esta capacidad microbiana no es sorprendente, porque los nanocables bacterianos salvajes respiran y reducen químicamente los metales para obtener su energía de la forma en que respiramos oxígeno.
Como los pulsos de encendido y apagado crean cambios en los filamentos metálicos, se crean nuevas ramificaciones y conexiones en el pequeño dispositivo, que es 100 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano, explica Yao. Crea un efecto similar al aprendizaje:- nuevas conexiones - en un cerebro real. Agrega: "Puede modular la conductividad o la plasticidad de la sinapsis de nanocable-memristor para que pueda emular componentes biológicos para la computación inspirada en el cerebro. Comparado con una computadora convencional, este dispositivo tieneuna capacidad de aprendizaje que no está basada en software "
Fu recuerda: "En los primeros experimentos que hicimos, el rendimiento del nanocable no fue satisfactorio, pero fue suficiente para que continuáramos". Durante dos años, vio una mejora hasta un fatídico día en que sus ojos y los de Yao quedaron cautivados pormediciones de voltaje que aparecen en la pantalla de una computadora.
"Recuerdo el día en que vimos esta gran actuación. Observamos la computadora mientras se medía el barrido de voltaje actual. Seguía funcionando de manera intermitente y nos dijimos, 'Wow, está funcionando'. Fue muy sorprendente ymuy alentador "
Fu, Yao, Lovely y sus colegas planean hacer un seguimiento de este descubrimiento con más investigación sobre los mecanismos y "explorar completamente la química, la biología y la electrónica" de los nanocables de proteínas en los memristors, dice Fu, además de posibles aplicaciones, que podrían incluir unadispositivo para controlar la frecuencia cardíaca, por ejemplo. Yao agrega: "Esto ofrece esperanza en la posibilidad de que algún día este dispositivo pueda hablar con neuronas reales en sistemas biológicos".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Massachusetts Amherst . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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