Realizzate sinapsi artificiali simili a quelle biologiche

Un gruppo di ricercatori dell’università coreana POSTECH ha sviluppato una sinapsi artificiale basata su nanofibre organiche che emula le funzioni importanti delle sinapsi biologiche compreso il basso consumo energetico. Grazie a questa caratteristica queste sinapsi artificiali potrebbero essere utilizzate in futuro nel settore dell’intelligenza artificiale.

La creazione di un sistema di intelligenza artificiale che emuli completamente le funzioni di un cervello umano è da sempre un sogno degli scienziati.

Un cervello ha molte funzioni superiori rispetto ai super computer nonostante sia caratterizzato da un peso leggero, un volume piccolo e un consumo di energia estremamente basso. Inoltre, per costruire una rete neurale artificiale è necessaria una quantità enorme di sinapsi (1014).

Immagine - Schema di una rete neuronale biologica e di transistor sinaptici (ONW, organic nanowires) che emulano una sinapsi biologica. Credits: Lee et al./Science Advances.

Recentemente sono stati compiuti grandi sforzi per realizzare alcune funzioni sinaptiche in singoli dispositivi elettronici, come l'utilizzo di memorie resistive ad accesso casuale (resistive random access memory, RRAM), memorie a cambiamento di fase (phase change memory, PCM), ponti conduttivi e transistor sinaptici.

Le sinapsi artificiali

Le sinapsi artificiali basate su nanostrutture altamente allineate restano comunque la soluzione ideale per la costruzione di una rete neurale artificiale altamente integrata.

Il team di ricerca composto dal prof. Tae-Woo Lee, il prof. Wentao Xu, e il dott. Sung-Yong Min del dipartimento di scienza dei materiali e ingegneria dell’Università POSTECH è riuscito a produrre un dispositivo elettronico di nanofibra organica (organic nanofiber, ONF) che emula non solo i principi di funzionamento importanti e il consumo di energia delle sinapsi biologiche, ma anche la morfologia.

La morfologia di una nanofibra organica è molto simile a quella delle fibre nervose che formano le griglie incrociate che permettono l’alta densità di memoria presente in un cervello umano.

Una nuova tecnica di produzione

In particolare, in base alla tecnica di stampa e-nanowire (electrohydrodynamic nanowire), possono essere prodotte in maniera massiccia nanofibre organiche altamente allineate con un controllo preciso sia dell’allineamento sia delle dimensioni. In futuro questa morfologia potrebbe consentire la costruzione di memoria ad alta densità di un sistema neuromorfico.

Sono stati emulati i principi di funzionamento importanti di una sinapsi biologica come ad esempio la facilitazione sinaptica (paired-pulse facilitation, PPF), la plasticità a breve termine (short-term plasticity, STP), la plasticità a lungo termine (long-term plasticity, LTP), la plasticità sinaptica dipendente dalla distribuzione temporale dei potenziali d’azione (spike-timing dependent plasticity, STDP) e la plasticità dipendente dallo spike rate (spike-rate dependent plasticity, SRDP).

Scenari

Ciò che sorprende di più è che il consumo di energia del dispositivo può essere ridotto a un livello di femtojoule per ogni evento sinaptico, si tratta di un valore inferiore rispetto ai rapporti precedenti.

Tale caratteristica porta la sinapsi artificiale a un livello di consumo energetico simile a quello di una sinapsi biologica. Inoltre, i dispositivi sinaptici artificiali non solo forniscono una nuova direzione di ricerca nell’ambito dell’elettronica neuromorfica ma potrebbero contribuire allo sviluppo di una  nuova era dell'elettronica organica.

Lo studio dei ricercatori è stato recentemente pubblicato sulla rivista Science Advances.