Figura 1:picchi spontanei simili agli impulsi nervosi dei neuroni sono stati generati da una rete complessata POM/CNT. Credito:Università di Osaka
Il cervello richiede sorprendentemente poca energia per adattarsi all'ambiente per apprendere, fare riconoscimenti ambigui, avere un'elevata capacità di riconoscimento e intelligenza, ed eseguire complesse elaborazioni di informazioni.
Le due caratteristiche chiave dei circuiti neurali sono "capacità di apprendimento delle sinapsi" e "impulsi o picchi nervosi". Mentre la scienza del cervello progredisce, la struttura del cervello è stata gradualmente chiarita, ma è troppo complicato da emulare completamente. Gli scienziati hanno cercato di replicare la funzione cerebrale utilizzando circuiti e dispositivi neuromorfici semplificati che emulano una parte dei meccanismi del cervello.
Nello sviluppo di chip neuromorfici per replicare artificialmente i circuiti che imitano la struttura e la funzione del cervello, le funzioni di generazione e trasmissione di picchi spontanei che imitano gli impulsi nervosi (picchi) non sono ancora state pienamente utilizzate.
Un gruppo congiunto di ricercatori del Kyushu Institute of Technology e dell'Università di Osaka ha studiato il controllo della rettifica corrente nelle giunzioni di varie molecole e particelle assorbite su nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT), utilizzando la microscopia conduttiva a forza atomica (C-AFM), e ha scoperto che una resistenza differenziale negativa è stata prodotta nelle molecole di poliossometallato (POM) assorbite su SWNT. Ciò suggerisce che nelle giunzioni molecolari si verifica uno stato di non equilibrio dinamico instabile.
Figura 2:Immagine al microscopio a forza atomica del POM adsorbito su SWNT (a sinistra) e resistenza differenziale negativa osservata sul POM (a destra). Credito:Università di Osaka
Inoltre, i ricercatori hanno creato estremamente denso, dispositivi neuromorfici molecolari a rete casuale SWNT/POM, generando picchi spontanei simili agli impulsi nervosi dei neuroni (Figura 1).
Il POM è costituito da atomi di metallo e atomi di ossigeno per formare una struttura tridimensionale. (Figura 2) A differenza delle normali molecole organiche, Il POM può immagazzinare cariche in una singola molecola. In questo studio, si pensava che la resistenza differenziale negativa e la generazione di picchi dalla rete fossero causate da dinamiche di carica di non equilibrio nelle giunzioni molecolari nella rete.
Così, il gruppo di ricerca congiunto guidato da Megumi Akai-Kasaya ha condotto calcoli di simulazione del modello di rete molecolare casuale complessato con molecole POM, che sono in grado di immagazzinare cariche elettriche, replicando i picchi generati dalla rete molecolare casuale. (Figura 3 a sinistra) Hanno anche dimostrato che questo modello molecolare sarebbe molto probabilmente diventato un componente dei dispositivi di calcolo del serbatoio. Il calcolo del serbatoio è previsto come intelligenza artificiale (AI) di nuova generazione. (Figura 3) I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .
Figura 3:Il modello di rete molecolare (in alto a sinistra) riproduce picchi casuali (in basso a sinistra). È stato suggerito un modello di rete SWNT/POM con un alto potenziale per il calcolo dei serbatoi neuromorfici (a destra). Credito:Università di Osaka
"Il significato del nostro studio è che una parte della funzione cerebrale è stata replicata da materiali nanomolecolari. Abbiamo dimostrato la possibilità che la stessa rete molecolare casuale possa diventare un'intelligenza artificiale neuromorfa, ", afferma l'autore principale Hirofumi Tanaka.
Si prevede che i risultati di questo gruppo contribuiranno notevolmente allo sviluppo di dispositivi neuromorfici del futuro.
