Dispositivo ispirato al cervello utilizzato per integrare sinapsi silenziose e funzionali.

Un team di ricerca, guidato dall'Assistant Professor Desmond Loke della Singapore University of Technology and Design (SUTD), ha sviluppato un nuovo tipo di sinapsi artificiale basato su materiali bidimensionali (2D) per un brain-inspired computing altamente scalabile.

Il brain-inspired computing, che imita il funzionamento del cervello umano, ha attirato una significativa attenzione scientifica a causa dei suoi usi nelle funzioni di intelligenza artificiale e del basso consumo energetico. Perché il brain-inspired computing funzioni, sono necessarie sinapsi che ricordano le connessioni tra due neuroni, come il cervello umano.

Nei cervelli in via di sviluppo, le sinapsi possono essere raggruppate in sinapsi funzionali e sinapsi silenziose. Per le sinapsi funzionali, le sinapsi sono attive, mentre per le sinapsi silenziose, le sinapsi sono inattive in condizioni normali. E, quando le sinapsi silenziose sono attivate, possono aiutare a ottimizzare le connessioni tra i neuroni. Tuttavia, poiché le sinapsi artificiali costruite su circuiti digitali occupano tipicamente grandi spazi, ci sono di solito limitazioni in termini di efficienza e costi dell'hardware. Poiché il cervello umano contiene circa cento trilioni di sinapsi, è necessario migliorare il costo dell'hardware al fine di applicarlo ai dispositivi portatili intelligenti e all'internet delle cose (IoT).

Per affrontare questo problema, il team di ricerca SUTD ha imitato i comportamenti delle sinapsi funzionali e silenziose utilizzando materiali 2D. Inoltre, questa sinapsi artificiale dimostra per la prima volta che può essere implementata con lo stesso dispositivo che funziona sia come sinapsi funzionale che silenziosa.

L'assistente Prof Loke ha detto che questo lavoro può ridurre drasticamente i costi dell'hardware sostituendo le sinapsi funzionali e silenziose che erano basate su complessi circuiti digitali con un unico dispositivo. "Abbiamo dimostrato che le sinapsi funzionali e silenziose possono essere implementate utilizzando un unico dispositivo".

"Integrando le sinapsi funzionali e silenziose nello stesso dispositivo utilizzando materiali 2D ultrasottili, il costo dell'hardware delle sinapsi artificiali diminuirà significativamente, il che spingerà la commercializzazione dell'hardware ispirato al cervello", ha aggiunto l'assistente Prof Loke.

Dal punto di vista della neurobiologia, le sinapsi silenziose non genererebbero un comportamento eccitatorio quando i neuroni presinaptici ricevono stimoli continui perché contengono recettori N-metil-D-aspartato (NMDA), ma mancano i recettori alfa-amino-3-idrossi-5-metil-4-isossazolo-propionico-acido (AMPA). Tuttavia, le sinapsi silenziose possono essere attivate per diventare sinapsi funzionali che rispondono alle stimolazioni con l'inserimento di recettori AMPA dopo stimolazioni consecutive.

Ispirandosi al meccanismo biologico di attivazione delle sinapsi silenziose attraverso l'inserimento dei recettori AMPA, le trasformazioni da sinapsi silenziose a sinapsi funzionali nei dispositivi possono essere ottenute introducendo anioni di zolfo nei sistemi materiali di seleniuro di indio 2D. Gli anioni di zolfo nel seleniuro di indio possono migrare sotto un campo elettrico ed esibire una plasticità sinaptica funzionale. Questo dispositivo, basato su un tipo di sistema completamente solforato, mostra un evidente comportamento memristivo a temperatura ambiente, che può essere utilizzato per implementare sinapsi funzionali. L'attivazione di sinapsi silenziose può essere dimostrata utilizzando un tipo di sistema parzialmente solforato modificando la temperatura.

Questa ricerca è stata pubblicata su ACS Applied Materials & Interfaces.