Cada momento de vigilia nuestro cerebro procesa una gran cantidad de datos para darle sentido al mundo exterior. Por lo tanto, imitando la forma en que el cerebro humano resuelve los problemas cotidianos, Los sistemas neuromórficos tienen un enorme potencial para revolucionar el análisis de big data y los problemas de reconocimiento de patrones que son una lucha para las tecnologías digitales actuales. Pero para que los sistemas artificiales sean más parecidos al cerebro, necesitan replicar cómo las células nerviosas se comunican en sus terminales, llamado las sinapsis.
En un estudio publicado en la edición de septiembre de la Revista de la Sociedad Química Estadounidense , Investigadores de la Universidad Texas A&M describieron un nuevo material que captura el patrón de actividad eléctrica en la sinapsis. Al igual que la forma en que una célula nerviosa produce un pulso de corriente oscilante dependiendo del historial de actividad eléctrica en su sinapsis, los investigadores dijeron que su material oscila de metal a aislante a una temperatura de transición decidida por el historial térmico del dispositivo.
Los materiales se clasifican generalmente en metales o aislantes dependiendo de si conducen calor y electricidad. Pero algunos materiales, como dióxido de vanadio, llevar una doble vida. A ciertas temperaturas, el dióxido de vanadio actúa como aislante, resistiendo el flujo de calor y corrientes eléctricas. Pero cuando se calienta a 67 grados Celsius, el dióxido de vanadio sufre un cambio camaleónico en sus propiedades internas, convirtiéndose en metal.
Estas oscilaciones de ida y vuelta debido a la temperatura hacen que el dióxido de vanadio sea un candidato ideal para los sistemas electrónicos inspirados en el cerebro, ya que las neuronas también producen una corriente oscilatoria. llamado potencial de acción.
Pero las neuronas también combinan sus entradas en su sinapsis. Esta integración aumenta el voltaje de la membrana de la neurona de manera constante, acercándolo a un valor umbral. Cuando se cruza este umbral, las neuronas disparan un potencial de acción.
"Una neurona puede recordar en qué voltaje se encuentra su membrana y dependiendo de dónde esté su voltaje de membrana con respecto al umbral, la neurona se disparará o permanecerá inactiva, "dijo el Dr. Sarbajit Banerjee, profesor del Departamento de Ciencias de los Materiales e Ingeniería y del Departamento de Química, y uno de los autores principales del estudio. "Queríamos modificar la propiedad del dióxido de vanadio para que conserve algo de memoria de lo cerca que está de la temperatura de transición para que podamos comenzar a imitar lo que está sucediendo en la sinapsis de las neuronas biológicas".
Las temperaturas de transición para un material dado generalmente son fijas a menos que una impureza, llamado dopante, está agregado. Aunque un dopante puede mover la temperatura de transición según su tipo y concentración dentro del dióxido de vanadio, El objetivo de Banerjee y su equipo era imbuir un medio para ajustar la temperatura de transición hacia arriba o hacia abajo de una manera que refleje no solo la concentración del dopante sino también el tiempo transcurrido desde que se reinició. Esta flexibilidad, ellos encontraron, solo era posible cuando usaban el boro.
Cuando los investigadores agregaron boro al dióxido de vanadio, el material todavía pasó de un aislante a un metal, pero la temperatura de transición ahora dependía de cuánto tiempo permaneciera en un nuevo estado metaestable creado por el boro.
"Las neuronas biológicas tienen memoria de su voltaje de membrana; de manera similar, el dióxido de vanadio con boro tiene un recuerdo de su historia térmica, o formalmente hablando, cuánto tiempo ha estado en un estado metaestable, "dijo la Dra. Diane Sellers, uno de los autores principales del estudio y ex investigador científico en el laboratorio de Banerjee. "Esta memoria determina la temperatura de transición a la que se impulsa el dispositivo para que oscile de metal a aislante".
Si bien su sistema es un paso inicial para imitar una sinapsis biológica, Actualmente se están realizando experimentos para introducir más dinamismo en el comportamiento del material controlando la cinética del proceso de relajación del dióxido de vanadio, dijo el Dr. Patrick Shamberger, profesor del departamento de ciencia de los materiales y autor correspondiente del estudio.
En el futuro cercano, Dr. Xiaofeng Qiang, profesor del departamento de ciencia de los materiales y colaborador de Banerjee en este proyecto, planea ampliar la investigación actual mediante la exploración de las estructuras atómicas y electrónicas de otros compuestos de óxido de vanadio más complejos. Además, el equipo colaborativo también investigará la posibilidad de crear otros materiales neuromórficos con dopantes alternativos.
"Nos gustaría investigar si el fenómeno que hemos observado con el dióxido de vanadio se aplica a otras redes del anfitrión y otros átomos invitados, "dijo el Dr. Raymundo Arróyave, profesor del departamento de ciencia de los materiales y autor correspondiente del estudio. "Esta información puede proporcionarnos varias herramientas para ajustar aún más las propiedades de este tipo de materiales neuromórficos para diversas aplicaciones".
Erick J. Braham del Departamento de Química es coautor principal de este estudio. Otros contribuyentes a esta investigación incluyen a Baiyu Zhang, Drs. Timothy D. Brown y Heidi Clarke del departamento de ciencia de materiales; Ruben Villarreal del Departamento de Ingeniería Mecánica J. Mike Walker '66; Abhishek Parija, Theodore E. G. Alivio y el Dr. Luis R. De Jesus del Departamento de Química; Dra. Lucia Zuin de la Universidad de Saskatchewan, Canadá; y el Dr. David Prendergast del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, California.
