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(Foco Nanowerk) Los científicos han desarrollado un novedoso componente electrónico que demuestra funciones de aprendizaje y memoria similares a las del cerebro humano. El novedoso dispositivo de “sinapsis fotoferroeléctrica”, desarrollado por un equipo internacional de investigadores de China, imita las conexiones biológicas entre neuronas que permiten al sistema nervioso adquirir y almacenar conocimientos.
La obra, publicada en Materiales funcionales avanzados (“Sinapsis de perovskita fotoferroeléctrica para computación neuromórfica”) ofrece un camino potencial para construir máquinas y computadoras inteligentes que aprendan de la experiencia. También proporciona información sobre cómo funcionan las sinapsis en el cerebro.
![Sinapsis fotoferroeléctricas de perovskita para computación neuromórfica](https://www.nanowerk.com/spotlight/id63816_1.jpg)
La ingeniería neuromórfica es un campo emergente que tiene como objetivo recrear funciones cerebrales en circuitos y dispositivos electrónicos. Un objetivo central es desarrollar redes neuronales artificiales a partir de neuronas y sinapsis sintéticas que demuestren la adaptabilidad y el bajo consumo de energía de los sistemas biológicos. Esto podría conducir a tecnologías informáticas transformadoras, como vehículos autónomos, asistentes de voz e inteligencia artificial para el diagnóstico de enfermedades, que funcionan más como cerebros que como computadoras tradicionales.
Un desafío importante es crear sinapsis artificiales (las conexiones entre neuronas donde se transmiten las señales) que exhiban la plasticidad conocida en biología. El fortalecimiento y debilitamiento de las conexiones sinápticas, llamado plasticidad sináptica, permite que se formen nuevos recuerdos y que los viejos se desvanezcan en el cerebro. Una forma de lograrlo es utilizar materiales multifuncionales que combinen propiedades como la fotosensibilidad, el magnetismo y la ferroelectricidad (la capacidad de invertir las polarizaciones eléctricas) para imitar la dinámica del sistema nervioso.
La nueva sinapsis fotoferroeléctrica consiste en una fina película de un material de perovskita a base de plomo (una clase de materiales que se está volviendo cada vez más popular en las células solares) combinada con un polímero ferroeléctrico orgánico llamado P(VDF-TrFE). Las perovskitas han demostrado excelentes propiedades fotoeléctricas, pero normalmente contienen plomo, lo que genera preocupaciones ambientales y de salud. Los investigadores utilizaron una baja concentración de plomo y una película delgada para minimizar la exposición. Sin embargo, para aplicaciones del mundo real, se requeriría más trabajo para reemplazar el plomo con un metal no tóxico manteniendo al mismo tiempo la multifuncionalidad que se muestra aquí.
La perovskita proporciona un comportamiento fotoeléctrico y produce corriente eléctrica cuando se expone a la luz, mientras que el polímero produce ferroelectricidad, lo que significa que puede polarizarse eléctricamente, con polos positivos y negativos, de forma análoga a pequeñas barras magnéticas que se pueden invertir aplicando voltaje.
Esta combinación de propiedades permite que la sinapsis imite múltiples tipos de plasticidad sináptica observada en las sinapsis biológicas, incluida la facilitación/depresión de impulsos emparejados y la plasticidad dependiente del tiempo de pico. Estos efectos ajustan la fuerza de las conexiones entre neuronas en respuesta a patrones de actividad neuronal y se consideran la base celular del aprendizaje.
Una innovación clave fue el descubrimiento de que polarizar el dispositivo («entrenamiento» aplicando voltaje) fortalece las propiedades ferroeléctricas del material y mejora su respuesta fotoeléctrica. Los investigadores demostraron que este efecto fotoferroeléctrico se puede utilizar para simular el condicionamiento pavloviano: los famosos experimentos en los que los perros aprendieron a asociar el sonido de una campana con la alimentación. Esta demostración de aprendizaje se logró en el dispositivo combinando pulsos de luz y voltaje.
Según los autores, el trabajo proporciona un nuevo paradigma para materiales multifuncionales para la computación neuromórfica y la electrónica inspirada en los nervios. Las sinapsis fotoferroeléctricas podrían allanar el camino para sistemas informáticos de autoaprendizaje y bajo consumo de energía que funcionen más como cerebros que como computadoras tradicionales, y conducir a tecnologías transformadoras como automóviles autónomos, asistentes de voz e inteligencia artificial para el diagnóstico de enfermedades. Los sistemas neuromórficos que imitan la biología podrían ser mucho más eficientes energéticamente que el hardware de IA tradicional, lo que permitiría inteligencia avanzada en dispositivos pequeños.
Al comprender mejor la función sináptica, la investigación también podría arrojar luz sobre los misterios de la inteligencia biológica.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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