Gli scienziati dell'UCLA James Gimzewski e Adam Stieg fanno parte di un team di ricerca internazionale che ha compiuto un significativo passo avanti verso l'obiettivo di creare macchine pensanti.

Guidato da ricercatori dell'Istituto nazionale giapponese per la scienza dei materiali, il team ha creato un dispositivo sperimentale che mostrava caratteristiche analoghe a determinati comportamenti del cervello:apprendimento, memorizzazione, dimenticare, veglia e sonno. La carta, pubblicato in Rapporti scientifici , descrive una rete in uno stato di flusso continuo.

"Questo è un sistema tra ordine e caos, ai margini del caos, " disse Gimzewski, un illustre professore di chimica e biochimica dell'UCLA, un membro del California NanoSystems Institute dell'UCLA e coautore dello studio. "Il modo in cui il dispositivo si evolve e cambia costantemente imita il cervello umano. Può creare diversi tipi di modelli di comportamento che non si ripetono".

La ricerca è un primo passo lungo un percorso che alla fine potrebbe portare a computer che assomigliano fisicamente e funzionalmente al cervello:macchine che potrebbero essere in grado di risolvere i problemi con cui i computer contemporanei lottano, e ciò potrebbe richiedere molta meno energia rispetto ai computer di oggi.

Il dispositivo studiato dai ricercatori è costituito da un groviglio di nanofili d'argento, con un diametro medio di soli 360 nanometri. (Un nanometro è un miliardesimo di metro.) I nanofili sono stati rivestiti in un polimero isolante di circa 1 nanometro di spessore. Globale, il dispositivo stesso misurava circa 10 millimetri quadrati, così piccoli che ce ne sarebbero voluti 25 per coprire un centesimo.

Consentito di autoassemblarsi in modo casuale su un wafer di silicio, i nanofili hanno formato strutture altamente interconnesse che sono notevolmente simili a quelle che formano la neocorteccia, la parte del cervello coinvolta con funzioni superiori come il linguaggio, percezione e cognizione.

Un tratto che differenzia la rete di nanofili dai circuiti elettronici convenzionali è che gli elettroni che fluiscono attraverso di essi causano il cambiamento della configurazione fisica della rete. Nello studio, la corrente elettrica ha causato la migrazione degli atomi d'argento dall'interno del rivestimento polimerico e la formazione di connessioni in cui due nanofili si sovrappongono. Il sistema aveva circa 10 milioni di questi svincoli, che sono analoghe alle sinapsi in cui le cellule cerebrali si connettono e comunicano.

I ricercatori hanno collegato due elettrodi alla rete simile a un cervello per profilare il funzionamento della rete. Hanno osservato "comportamenti emergenti, " il che significa che la rete mostrava caratteristiche nel suo insieme che non potevano essere attribuite alle singole parti che la compongono. Questo è un altro tratto che rende la rete simile al cervello e la distingue dai computer convenzionali.

Dopo che la corrente è passata attraverso la rete, le connessioni tra i nanofili sono persistite fino a un minuto in alcuni casi, che assomigliava al processo di apprendimento e memorizzazione nel cervello. Altri tempi, le connessioni si interrompono bruscamente dopo la fine della carica, imitando il processo di dimenticanza del cervello.

In altri esperimenti, il team di ricerca ha scoperto che con meno energia che fluisce, il dispositivo ha mostrato un comportamento che corrisponde a quello che vedono i neuroscienziati quando usano la risonanza magnetica funzionale per acquisire immagini del cervello di una persona addormentata. Con più potenza, il comportamento della rete di nanofili corrispondeva a quello del cervello sveglio.

Il documento è l'ultimo di una serie di pubblicazioni che esaminano le reti di nanocavi come un sistema ispirato dal cervello, un'area di ricerca che Gimzewski ha aiutato a fare da pioniere insieme a Stieg, un ricercatore dell'UCLA e un direttore associato del CNSI.

"Il nostro approccio può essere utile per generare nuovi tipi di hardware efficienti dal punto di vista energetico e in grado di elaborare set di dati complessi che sfidano i limiti dei computer moderni, " disse Stieg, coautore dello studio.

L'attività caotica al limite della rete di nanocavi assomiglia non solo alla segnalazione all'interno del cervello, ma anche ad altri sistemi naturali come i modelli meteorologici. Ciò potrebbe significare che, con ulteriore sviluppo, versioni future del dispositivo potrebbero aiutare a modellare sistemi così complessi.

In altri esperimenti, Gimzewski e Stieg hanno già convinto un dispositivo nanowire d'argento per prevedere con successo le tendenze statistiche nei modelli di traffico di Los Angeles sulla base dei dati sul traffico degli anni precedenti.

A causa delle loro somiglianze con il funzionamento interno del cervello, dispositivi futuri basati sulla tecnologia dei nanocavi potrebbero anche dimostrare l'efficienza energetica come l'elaborazione del cervello. Il cervello umano funziona con una potenza approssimativamente equivalente a quella utilizzata da una lampadina a incandescenza da 20 watt. Al contrario, i server di computer in cui si svolgono attività ad alta intensità di lavoro, dalla formazione per l'apprendimento automatico all'esecuzione di ricerche su Internet, possono utilizzare l'equivalente dell'energia di molte famiglie, con la relativa impronta di carbonio.

"Nei nostri studi, abbiamo una missione più ampia della semplice riprogrammazione dei computer esistenti, " Ha detto Gimzewski. "La nostra visione è un sistema che alla fine sarà in grado di gestire compiti che sono più vicini al modo in cui opera l'essere umano".