Da uno studio internazionale coordinato dall’Istituto di nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche sullo sviluppo di polimeri innovativi, grazie alla modulazione delle proprietà chimiche, sono state realizzate “sinapsi artificiali organiche”. Termini un po’ difficili ai non esperti ma dalla grande valenza scientifica, poiché in grado di imitare le funzioni di memoria e addirittura oblio dei neuroni biologici del nostro cervello. La ricerca, pubblicata su Communications Materials (Nature Portfolio), apre prospettive per lo sviluppo di chip “neuromorfici” per l’IA, ultraveloci e a bassissimo consumo energetico
Realizzare sinapsi artificiali stabili e intelligenti grazie a polimeri capaci di comunicare direttamente con il cervello è una scoperta che apre la strada a computer capaci di elaborare informazioni complesse in tempi ultraveloci e con consumi energetici drasticamente ridotti, imitando i meccanismi biologici umani. Il tutto si basa su una nuova classe di polimeri in grado di trasportare contemporaneamente cariche elettriche (elettroni) e segnali biologici (ioni). “Siamo riusciti a regolare le proprietà di conduzione di questi polimeri innovativi per via chimica, controllandone la morfologia e la struttura dei materiali, senza ricorrere a sovrastrutture o circuiti esterni”, spiega Pierluigi Cossari, ricercatore del CNR-Nanotec e coordinatore scientifico dello studio. “Sfruttando le caratteristiche uniche di questi materiali abbiamo ottenuto sinapsi artificiali organiche, ovvero giunzioni funzionali tra neuroni, capaci di interagire direttamente con la dopamina, il neurotrasmettitore coinvolto nei processi di apprendimento”.
I dispositivi sono stati sviluppati presso la Northwestern University (USA). “Il principale risultato riguarda la capacità di riprodurre non solo l’apprendimento (learning), ma anche l’oblio (forgetting), una funzione fondamentale dei neuroni”, spiega ancora Cossari. In pratica, con il nuovo sistema di realizzazione di sinapsi artificiali, si modifica la chimica del materiale, con “otto stati differenti, che ci permettono di modulare con maggior precisione la velocità e il tempo di oblio (synaptic decay) di tali sinapsi artificiale. In bioelettronica, come nei sistemi biologici, l’oblio è una funzione fondamentale per ottimizzare le risorse e poterlo regolare attraverso la chimica apre nuove possibilità applicative”, sottolinea il ricercatore.
I dati sperimentali sono stati utilizzati in chip neuromorfici completi, basati su strutture denominate crossbar arrays, dimostrando il potenziale della tecnologia per i sistemi di calcolo di prossima generazione. “I computer tradizionali sono velocissimi nell’elaborazione, ma consumano enormi quantità di energia. Il cervello umano svolge operazioni altrettanto complesse, come il riconoscimento visivo, con consumi molto inferiori. Le simulazioni del nostro studio basato sulle sinapsi artificiali vanno in questa direzione. A differenza di altre tecnologie che puntano a superare i limiti della potenza di calcolo, l’approccio neuromorfico imita l’architettura del cervello e la sua efficienza energetica”, conclude l’esperto.
Lo studio ha beneficiato della collaborazione tra diversi istituti del Consiglio nazionale delle ricerche: l’Istituto di cristallografia per la caratterizzazione strutturale, l’Istituto per la microelettronica e microsistemi per lo studio delle proprietà di trasporto elettrico, l’Istituto per lo studio dei materiali nanostrutturati per l’analisi delle superfici. Il Dipartimento di chimica dell’Università della Calabria ha studiato la conducibilità ionica e i meccanismi di trasporto. Nella foto CNR, rappresentazione grafica sinapsi e interazione.
