Neurônios artificiais alimentados por luz imitam processamento do cérebro

Eletr?nica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/04/2025

Neurom?rfica ?ptica

A computa??o neurom?rfica tenta replicar a capacidade de processamento das redes neurais biol?gicas. No c?rebro, os neur?nios funcionam com base em disparos r?tmicos para codificar sinais, reconhecer padr?es e fazer a sincroniza??o das redes. Todas essas fun??es dependem de atividades oscilat?rias para transmiss?o e processamento dos sinais.

Para imitar isso, o mais comum tem sido criar neur?nios e sinapses artificiais que funcionam com base em est?mulos el?tricos, mec?nicos ou t?rmicos. Mas sistemas baseados em luz oferecem vantagens em velocidade, efici?ncia energ?tica e miniaturiza??o. J? foram demonstradas sinapses fot?nicas antes, mas as implementa??es exigem circuitos adicionais que aumentam o consumo de energia e a complexidade, confiscando os ganhos.

Bejoys Jacob e colegas do Laborat?rio Ib?rico Internacional de Nanotecnologia, em Portugal, superaram essas defici?ncias, criando um dispositivo integrado que realiza tanto a recep??o sensorial quanto o comportamento oscilat?rio, tudo funcionando com luz, mas sem a necessidade de qualquer circuito externo adicional.

Os dispositivos apresentaram comportamento oscilat?rio est?vel ao longo de ciclos de medi??o prolongados (>10³ ciclos), confirmando uma opera??o confi?vel sob condi??es controladas. A ?ptica modulada por pulsos permitiu obter controle sobre a excita??o e a inibi??o dos disparos neuronais em rajada, demonstrando a viabilidade de codificar a entrada sensorial em sinais espa?o-temporais semelhantes aos sinais neurais.

Os resultados confirmaram que neur?nios fot?nicos neurom?rficos podem ser fabricados usando fotodetectores, integrando o processamento de entrada sensorial e a computa??o neural oscilat?ria em um ?nico componente semicondutor miniaturizado, um marco para a computa??o neurom?rfica tanto em termos t?cnicos quanto em termos de viabiliza??o econ?mica.

Oscila??es neurais

O componente fundamental ? um diodo de tunelamento ressonante, um fotodetector que usa a luz para controlar a resist?ncia diferencial negativa, fabricado com um ?nico semicondutor, o arseneto de g?lio, j? usado em tecnologias como o radar de luz (lidar).

Esses fotodetectores, com dimens?es entre seis e dez micr?metros, funcionam como neur?nios oscilat?rios artificiais ativados por luz infravermelha pr?xima. Isto significa que sua resposta el?trica responde ? tens?o aplicada, com a corrente el?trica primeiro subindo, depois caindo e ent?o subindo novamente.

Em condi??es de escurid?o, os componentes apresentaram apenas resist?ncia diferencial positiva, sem oscila??es. Mas, quando expostos a n?veis controlados de luz infravermelha pr?xima, emergiu uma regi?o ativada por luz, levando ? gera??o de oscila??es de voltagem autossustentadas.

As oscila??es de disparo podem ser ativadas ou suprimidas controlando a pot?ncia da luz de entrada. Em intensidades de luz ?timas, o componente apresenta oscila??es de rajada est?veis e peri?dicas, assemelhando-se ? atividade oscilat?ria observada nos neur?nios biol?gicos. Essas oscila??es ocorrem em frequ?ncias em torno de 350 quilohertz e s?o ajust?veis com base na tens?o de polariza??o e nas condi??es de ilumina??o.

Este ? um avan?o importante rumo a sistemas de vis?o artificial de alta velocidade e alta efici?ncia energ?tica, al?m de aplica??es em computa??o de borda e computa??o bioinspirada.

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