Il y a seulement 10 ans, les scientifiques travaillant sur ce qu'ils espéraient ouvrir une nouvelle frontière de l'informatique neuromorphique ne pouvaient que rêver d'un appareil utilisant des outils miniatures appelés memristors qui fonctionneraient / fonctionneraient comme de vraies synapses cérébrales.
Mais maintenant, une équipe de l'Université du Massachusetts à Amherst a découvert, alors qu'elle était en voie de mieux comprendre les nanofils de protéines, comment utiliser ces filaments biologiques conducteurs d'électricité pour fabriquer un dispositif de mémorisation neuromorphique, ou « transistor à mémoire ». Il fonctionne extrêmement efficacement à très faible puissance, comme le fait le cerveau, pour transporter des signaux entre les neurones. Les détails sont en Communications Nature.
En tant que premier auteur Tianda Fu, un doctorat. candidat en génie électrique et informatique, explique, l'un des plus grands obstacles à l'informatique neuromorphique, et celui qui le rendait inaccessible, est que la plupart des ordinateurs conventionnels fonctionnent à plus de 1 volt, tandis que le cerveau envoie des signaux appelés potentiels d'action entre les neurones à environ 80 millivolts – plusieurs fois plus faible. Aujourd'hui, une décennie après les premières expériences, la tension du memristor a été atteinte dans une plage similaire à celle d'un ordinateur conventionnel, mais descendre en dessous de cela semblait improbable, ajoute-t-il.
Fu rapporte qu'en utilisant des nanofils de protéines développés à UMass Amherst à partir de la bactérie Geobacter par le microbiologiste et co-auteur Derek Lovely, il a maintenant mené des expériences où les memristors ont atteint des tensions neurologiques. Ces tests ont été effectués dans le laboratoire du chercheur et co-auteur en génie électrique et informatique Jun Yao.
C'est la première fois qu'un appareil peut fonctionner au même niveau de tension que le cerveau. Les gens n'osaient probablement même pas espérer que nous pourrions créer un appareil aussi économe en énergie que les homologues biologiques d'un cerveau, mais nous avons maintenant des preuves réalistes de capacités de calcul à ultra-faible puissance. C'est une percée conceptuelle et nous pensons que cela va provoquer beaucoup d'exploration en électronique qui fonctionne dans le régime de tension biologique. «
Jun Yao, co-auteur, chercheur UMass Amherst
Lovely souligne que les nanofils de protéines électriquement conductrices de Geobacter offrent de nombreux avantages par rapport aux nanofils de silicium coûteux, qui nécessitent des produits chimiques toxiques et des processus à haute énergie pour être produits. Les nanofils de protéines sont également plus stables dans l'eau ou les fluides corporels, une caractéristique importante pour les applications biomédicales. Pour ce travail, les chercheurs coupent les nanofils des bactéries afin que seule la protéine conductrice soit utilisée, ajoute-t-il.
Fu dit que lui et Yao avaient décidé de mettre les nanofils purifiés à l'épreuve, pour voir de quoi ils étaient capables à différentes tensions, par exemple. Ils ont expérimenté un modèle marche-arrêt pulsé de charge positive-négative envoyé à travers un minuscule fil métallique dans un memristor, ce qui crée un interrupteur électrique.
Ils ont utilisé un fil métallique car les nanofils de protéines facilitent la réduction des métaux, modifiant la réactivité des ions métalliques et les propriétés de transfert d'électrons. Lovely dit que cette capacité microbienne n'est pas surprenante, car les nanofils bactériens sauvages respirent et réduisent chimiquement les métaux pour obtenir leur énergie comme nous respirons l'oxygène.
Comme les impulsions marche-arrêt créent des changements dans les filaments métalliques, de nouvelles ramifications et connexions sont créées dans le petit appareil, qui est 100 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu humain, explique Yao. Il crée un effet similaire à l'apprentissage – de nouvelles connexions – dans un vrai cerveau. Il ajoute: « Vous pouvez moduler la conductivité ou la plasticité de la synapse à nanofils-memristor afin qu'elle puisse émuler des composants biologiques pour une informatique inspirée du cerveau. Comparé à un ordinateur conventionnel, cet appareil a une capacité d'apprentissage qui n'est pas basée sur un logiciel. «
Fu se souvient: « Dans les premières expériences que nous avons faites, les performances des nanofils n'étaient pas satisfaisantes, mais cela nous a suffi pour continuer. » Sur deux ans, il a vu une amélioration jusqu'à un jour fatidique où ses yeux et ceux de Yao étaient rivés par des mesures de tension apparaissant sur un écran d'ordinateur.
« Je me souviens du jour où nous avons vu cette grande performance. Nous avons regardé l'ordinateur pendant que le balayage de tension était mesuré. Il continuait à baisser et nous nous disions: » Wow, ça marche. » C'était très surprenant et très encourageant. «
Fu, Yao, Lovely et ses collègues prévoient de poursuivre cette découverte avec plus de recherches sur les mécanismes et «d'explorer pleinement la chimie, la biologie et l'électronique» des nanofils de protéines dans les memristors, explique Fu, ainsi que les applications possibles, qui pourraient inclure un dispositif pour surveiller la fréquence cardiaque, par exemple. Yao ajoute: « Cela offre de l'espoir dans la faisabilité qu'un jour cet appareil puisse parler aux neurones réels des systèmes biologiques. »
La source:
Université du Massachusetts Amherst
