Computer capaci di elaborare informazioni complesse in tempi ultraveloci, consumando molta meno energia e riproducendo alcune delle straordinarie capacità del cervello umano. È la prospettiva aperta da una nuova ricerca internazionale coordinata dall’Istituto di nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche (CNR-Nanotec) di Roma, che ha portato alla realizzazione di sinapsi artificiali organiche capaci non soltanto di apprendere, ma anche di dimenticare, proprio come avviene nei sistemi biologici. Il risultato, pubblicato sulla rivista scientifica Communications Materials del gruppo Nature Portfolio, rappresenta un importante avanzamento nel campo dell’elettronica neuromorfica, un settore della ricerca che punta a sviluppare sistemi di calcolo ispirati all’architettura e al funzionamento del cervello umano. Al centro dello studio ci sono materiali polimerici innovativi in grado di trasportare contemporaneamente segnali elettrici e ionici, creando le condizioni per un’interazione diretta con meccanismi di comunicazione biologica. La caratteristica più significativa della tecnologia sviluppata riguarda la possibilità di controllare chimicamente il comportamento delle sinapsi artificiali, regolando la loro capacità di conservare e perdere progressivamente le informazioni. Un meccanismo che riproduce due funzioni fondamentali dell’attività neuronale, l’apprendimento e l’oblio, e che potrebbe contribuire allo sviluppo di sistemi informatici più efficienti.
Polimeri intelligenti che trasportano elettroni e ioni: come funziona la tecnologia
La ricerca si basa su una nuova classe di polimeri a conduzione mista ionica ed elettronica, materiali capaci di trasportare sia cariche elettriche, attraverso gli elettroni, sia segnali di natura biologica, attraverso gli ioni. Questa doppia proprietà costituisce uno degli elementi fondamentali per sviluppare dispositivi elettronici capaci di interagire con processi tipici dei sistemi viventi. Uno degli aspetti innovativi dello studio consiste nella possibilità di modificare le caratteristiche di conduzione intervenendo direttamente sulla composizione chimica dei materiali, senza dover aggiungere circuiti o strutture esterne per ottenere il comportamento desiderato. “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. Il controllo delle proprietà del materiale ha consentito di ottenere dispositivi che riproducono alcune funzioni delle connessioni tra neuroni. In particolare, le sinapsi artificiali sviluppate sono in grado di interagire direttamente con la dopamina, una sostanza fondamentale per la comunicazione nel sistema nervoso e coinvolta nei processi di apprendimento. “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”.
Il risultato più innovativo: le sinapsi artificiali possono anche dimenticare
Le sinapsi artificiali sono state sviluppate presso la Northwestern University, negli Stati Uniti, nell’ambito della collaborazione scientifica internazionale. Il lavoro sperimentale ha permesso di approfondire un aspetto particolarmente importante del funzionamento delle reti neuronali: la capacità di modificare nel tempo la permanenza delle informazioni. Nei sistemi biologici, infatti, l’oblio non rappresenta semplicemente la perdita di un’informazione, ma svolge una funzione essenziale nella gestione delle risorse disponibili. Riprodurre e soprattutto regolare questo comportamento nei dispositivi artificiali significa avvicinare il funzionamento dei sistemi elettronici a quello delle reti neuronali. “Il principale risultato riguarda la capacità di riprodurre non solo l’apprendimento (learning), ma anche l’oblio (forgetting), una funzione fondamentale dei neuroni”, spiega Cossari. La ricerca ha dimostrato che le proprietà delle sinapsi possono essere modificate intervenendo sulla chimica dei polimeri, ottenendo differenti modalità di funzionamento. In questo modo diventa possibile controllare sia la velocità con cui le informazioni vengono progressivamente perse sia il tempo necessario perché si verifichi il decadimento sinaptico, noto come synaptic decay.
Otto stati differenti grazie al sistema PEDOT:PSS:Nafion
Un altro elemento centrale della scoperta riguarda le prestazioni dei materiali utilizzati. I ricercatori hanno confrontato la nuova tecnologia con i sistemi basati sul PEDOT:PSS, il poli(3,4-etilen diossitiofene)-poli(stirene solfonato), uno dei polimeri conduttivi più studiati e impiegati nell’elettronica organica. Attraverso l’introduzione di un sistema composto da tre polimeri, denominato PEDOT:PSS:Nafion, è stato possibile ottenere otto stati differenti, che consentono una regolazione più precisa del comportamento delle sinapsi artificiali. “I test hanno dimostrato che la nostra tecnologia supera le prestazioni dei sistemi basati sul PEDOT:PSS [poli(3,4-etilen diossitiofene)-poli(stirene solfonato)], uno dei polimeri conduttivi più studiati e utilizzati nell’elettronica organica. Con il nostro sistema a tre polimeri (PEDOT:PSS:Nafion), modificando la chimica del materiale, abbiamo otto stati differenti, che ci permettono di modulare con maggior precisione la velocità e il tempo di oblio (synaptic decay) della 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”. La possibilità di ottenere differenti stati funzionali mediante modifiche chimiche rappresenta quindi un avanzamento rispetto ai sistemi convenzionali basati sul solo PEDOT:PSS. Il comportamento delle sinapsi artificiali può essere modulato direttamente attraverso le caratteristiche del materiale, offrendo nuove opportunità per la progettazione di componenti elettronici destinati al calcolo neuromorfico.
Computer ispirati al cervello umano: più efficienza energetica nell’elaborazione delle informazioni
Le potenziali applicazioni della ricerca si inseriscono in uno dei principali ambiti di sviluppo dell’informatica: la realizzazione di computer capaci di affrontare operazioni complesse con consumi energetici sensibilmente inferiori rispetto alle architetture tradizionali. Il riferimento è il cervello umano, capace di svolgere attività estremamente articolate, come il riconoscimento visivo, utilizzando quantità di energia molto contenute. L’approccio neuromorfico cerca di riprodurre questa efficienza attraverso dispositivi e architetture di calcolo che imitano i principi di funzionamento delle reti neuronali. Per valutare le possibilità offerte dai nuovi materiali, i dati ottenuti durante gli esperimenti sono stati impiegati in simulazioni di chip neuromorfici completi, basati su particolari strutture denominate crossbar arrays. Queste architetture permettono di organizzare i componenti in reti adatte all’elaborazione delle informazioni secondo principi ispirati ai sistemi neuronali. L’utilizzo dei risultati sperimentali in queste configurazioni ha evidenziato il potenziale della tecnologia per i sistemi di calcolo di prossima generazione, collegando le proprietà dei singoli dispositivi alle possibili applicazioni in architetture elettroniche più complesse. “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 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 il ricercatore.
Il contributo dell’Università della Calabria e degli istituti del CNR
Lo studio internazionale è il risultato di un’attività di ricerca multidisciplinare che ha coinvolto diversi istituti del Consiglio nazionale delle ricerche, la Northwestern University e il Dipartimento di chimica dell’Università della Calabria, ciascuno impegnato nell’analisi di specifiche proprietà dei materiali e dei dispositivi sviluppati. Il CNR-Nanotec di Roma ha coordinato scientificamente il progetto, mentre l’Istituto di cristallografia del CNR ha contribuito alla caratterizzazione strutturale dei materiali, un’attività fondamentale per comprenderne l’organizzazione e le proprietà. L’Istituto per la microelettronica e microsistemi del CNR si è occupato dello studio delle proprietà di trasporto elettrico, mentre l’Istituto per lo studio dei materiali nanostrutturati ha condotto le analisi delle superfici. Un ruolo specifico è stato svolto dall’Università della Calabria, attraverso il suo Dipartimento di chimica, che ha approfondito la conducibilità ionica e i meccanismi di trasporto dei materiali. Si tratta di aspetti direttamente collegati alla capacità dei nuovi polimeri di trasmettere segnali ionici, una delle proprietà alla base del funzionamento delle sinapsi artificiali realizzate nell’ambito dello studio.
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