Ogni momento di veglia, il nostro cervello elabora un'enorme quantità di dati per dare un senso al mondo esterno. Così, imitando il modo in cui il cervello umano risolve i problemi quotidiani, i sistemi neuromorfici hanno un enorme potenziale per rivoluzionare l'analisi dei big data e i problemi di riconoscimento dei modelli che sono una lotta per le attuali tecnologie digitali. Ma affinché i sistemi artificiali siano più simili al cervello, hanno bisogno di replicare il modo in cui le cellule nervose comunicano ai loro terminali, chiamate sinapsi.
In uno studio pubblicato nel numero di settembre di il Journal of American Chemical Society , i ricercatori della Texas A&M University hanno descritto un nuovo materiale che cattura lo schema dell'attività elettrica nella sinapsi. Proprio come una cellula nervosa produce un impulso di corrente oscillante a seconda della storia dell'attività elettrica alla sua sinapsi, i ricercatori hanno affermato che il loro materiale oscilla dal metallo all'isolante a una temperatura di transizione decisa dalla storia termica del dispositivo.
I materiali sono generalmente classificati in metalli o isolanti a seconda che conducano calore ed elettricità. Ma alcuni materiali, come il biossido di vanadio, condurre una doppia vita. A determinate temperature, il biossido di vanadio agisce come un isolante, resistere al flusso di calore e correnti elettriche. Ma quando riscaldato a 67 gradi Celsius, il biossido di vanadio subisce un cambiamento camaleontico nelle sue proprietà interne, convertendosi in un metallo.
Queste oscillazioni avanti e indietro dovute alla temperatura rendono il biossido di vanadio un candidato ideale per i sistemi elettronici ispirati al cervello poiché i neuroni producono anche una corrente oscillatoria, chiamato potenziale d'azione.
Ma i neuroni raccolgono anche i loro input nelle loro sinapsi. Questa integrazione aumenta costantemente la tensione della membrana del neurone, avvicinandolo ad un valore di soglia. Quando questa soglia viene superata, i neuroni attivano un potenziale d'azione.
"Un neurone può ricordare a quale tensione si trova la sua membrana e a seconda di dove si trova la sua tensione di membrana rispetto alla soglia, il neurone si attiverà o rimarrà dormiente, " ha detto il dottor Sarbajit Banerjee, docente presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria dei Materiali e il Dipartimento di Chimica, e uno degli autori senior dello studio. "Volevamo modificare la proprietà del biossido di vanadio in modo che conservasse un po' di memoria di quanto fosse vicino alla temperatura di transizione in modo da poter iniziare a imitare ciò che sta accadendo nelle sinapsi dei neuroni biologici".
Le temperature di transizione per un dato materiale sono generalmente fissate a meno che un'impurezza, chiamato drogante, è aggiunto. Sebbene un drogante possa spostare la temperatura di transizione a seconda del tipo e della concentrazione all'interno del biossido di vanadio, L'obiettivo di Banerjee e del suo team era quello di infondere un mezzo per aumentare o diminuire la temperatura di transizione in modo da riflettere non solo la concentrazione del drogante, ma anche il tempo trascorso da quando era stato ripristinato. Questa flessibilità, hanno trovato, era possibile solo quando usavano il boro.
Quando i ricercatori hanno aggiunto il boro al biossido di vanadio, il materiale è ancora passato da isolante a metallo, ma la temperatura di transizione ora dipendeva da quanto tempo rimaneva in un nuovo stato metastabile creato dal boro.
"I neuroni biologici hanno memoria del loro voltaggio di membrana; allo stesso modo, il biossido di vanadio boro-spiccato ha un ricordo della sua storia termica, o formalmente parlando, da quanto tempo è in uno stato metastabile, " ha detto la dottoressa Diane Sellers, uno dei principali autori dello studio ed ex ricercatore nel laboratorio di Banerjee. "Questa memoria determina la temperatura di transizione alla quale il dispositivo è portato a oscillare dal metallo a un isolante".
Mentre il loro sistema è un passo iniziale nell'imitare una sinapsi biologica, sono attualmente in corso esperimenti per introdurre più dinamismo nel comportamento del materiale controllando la cinetica del processo di rilassamento del biossido di vanadio, ha detto il dottor Patrick Shamberger, professore nel dipartimento di scienze dei materiali e un corrispondente autore dello studio.
Nel futuro prossimo, Dott. Xiaofeng Qiang, professore nel dipartimento di scienze dei materiali e collaboratore di Banerjee in questo progetto, prevede di espandere la ricerca attuale esplorando le strutture atomiche ed elettroniche di altri composti di ossido di vanadio più complessi. Inoltre, il team collaborativo studierà anche la possibilità di creare altri materiali neuromorfici con droganti alternativi.
"Vorremmo indagare se il fenomeno che abbiamo osservato con il biossido di vanadio si applica ad altri reticoli ospiti e ad altri atomi ospiti, " ha detto il dottor Raymundo Arróyave, professore nel dipartimento di scienze dei materiali e un corrispondente autore dello studio. "Questa intuizione può fornirci diversi strumenti per ottimizzare ulteriormente le proprietà di questi tipi di materiali neuromorfici per diverse applicazioni".
Erick J. Braham del Dipartimento di Chimica è uno degli autori principali di questo studio. Altri contributori a questa ricerca includono Baiyu Zhang, Dott. Timothy D. Brown e Heidi Clarke del dipartimento di scienze dei materiali; Ruben Villarreal del Dipartimento di Ingegneria Meccanica di J. Mike Walker '66; Abhishek Parija, Theodore E. G. Alivio e Dr. Luis R. De Jesus del Dipartimento di Chimica; Dott.ssa Lucia Zuin dell'Università del Saskatchewan, Canada; e il dottor David Prendergast del Lawrence Berkeley National Laboratory, California.
