p Apenas 10 anos atrás, cientistas trabalhando no que esperavam abrir uma nova fronteira da computação neuromórfica só podiam sonhar com um dispositivo usando ferramentas em miniatura chamadas memristores que funcionariam / operariam como sinapses cerebrais reais. p Mas agora uma equipe da Universidade de Massachusetts Amherst descobriu, enquanto estão a caminho de entender melhor os nanofios de proteína, como usar esses produtos biológicos, filamentos condutores de eletricidade para fazer um memristor neuromórfico, ou "transistor de memória, "dispositivo. Funciona de forma extremamente eficiente com energia muito baixa, como os cérebros fazem, para transportar sinais entre os neurônios. Os detalhes estão em Nature Communications .

p Como primeiro autor, Tianda Fu, um Ph.D. candidato em engenharia elétrica e da computação, explica, um dos maiores obstáculos para a computação neuromórfica, e um que parecia inacessível, é que a maioria dos computadores convencionais opera a mais de 1 volt, enquanto o cérebro envia sinais chamados potenciais de ação entre os neurônios em cerca de 80 milivolts - muitas vezes mais baixos. Hoje, uma década após os primeiros experimentos, a voltagem do memristor foi alcançada em uma faixa semelhante à do computador convencional, mas ficar abaixo disso parecia improvável, ele adiciona.

p Fu relata que usando nanofios de proteína desenvolvidos na UMass Amherst da bactéria Geobacter pelo microbiologista e co-autor Derek Lovely, ele agora conduziu experimentos em que os memristores atingiram tensões neurológicas. Esses testes foram realizados no laboratório do pesquisador e co-autor de engenharia elétrica e de computação Jun Yao.

p Yao diz, "Esta é a primeira vez que um dispositivo pode funcionar no mesmo nível de voltagem que o cérebro. As pessoas provavelmente nem se atreviam a esperar que pudéssemos criar um dispositivo que é tão eficiente em termos de energia quanto as contrapartes biológicas em um cérebro, mas agora temos evidências realistas de recursos de computação de ultra-baixo consumo de energia. É uma inovação de conceito e achamos que vai causar muita exploração em eletrônicos que funcionam no regime de voltagem biológica. "

p Lovely aponta que os nanofios de proteína eletricamente condutivos da Geobacter oferecem muitas vantagens sobre os caros nanofios de silício, que requerem produtos químicos tóxicos e processos de alta energia para serem produzidos. Os nanofios de proteína também são mais estáveis ​​em água ou fluidos corporais, um recurso importante para aplicações biomédicas. Para este trabalho, os pesquisadores cortam nanofios das bactérias para que apenas a proteína condutora seja usada, ele adiciona.

p Fu diz que ele e Yao começaram a testar os nanofios purificados, para ver do que eles são capazes em diferentes tensões, por exemplo. Eles experimentaram um padrão pulsante liga-desliga de carga positiva-negativa enviada através de um minúsculo fio de metal em um memristor, que cria um interruptor elétrico.

p Eles usaram um fio de metal porque os nanofios de proteína facilitam a redução do metal, alterando a reatividade do íon metálico e as propriedades de transferência de elétrons. Lovely diz que essa capacidade microbiana não é surpreendente, porque os nanofios de bactérias selvagens respiram e reduzem quimicamente os metais para obter sua energia da maneira como respiramos oxigênio.

p Como os pulsos on-off criam mudanças nos filamentos de metal, novas ramificações e conexões são criadas no pequeno dispositivo, que é 100 vezes menor que o diâmetro de um cabelo humano, Yao explica. Ele cria um efeito semelhante ao de aprendizagem - novas conexões - em um cérebro real. Ele adiciona, "Você pode modular a condutividade, ou a plasticidade da sinapse nanofio-memristor para que possa emular componentes biológicos para computação inspirada no cérebro. Comparado a um computador convencional, este dispositivo possui uma capacidade de aprendizagem que não é baseada em software. "

p Fu lembra, "Nos primeiros experimentos que fizemos, o desempenho do nanofio não era satisfatório, mas foi o suficiente para continuarmos. "Ao longo de dois anos, ele viu uma melhora até um dia fatídico, quando seus olhos e os de Yao foram cravados por medições de voltagem que aparecem na tela do computador.

p "Lembro-me do dia em que vimos esse ótimo desempenho. Assistimos ao computador enquanto a varredura da tensão da corrente estava sendo medida. Ele diminuía cada vez mais e dizíamos um ao outro:'Uau, está funcionando.' Foi muito surpreendente e muito encorajador. "

p Fu, Yao, Lovely e seus colegas planejam dar seguimento a esta descoberta com mais pesquisas sobre os mecanismos, e para "explorar totalmente a química, biologia e eletrônica "de nanofios de proteína em memristores, Fu diz, além de possíveis aplicações, que pode incluir um dispositivo para monitorar a frequência cardíaca, por exemplo. Yao acrescenta, "Isso oferece esperança de que um dia esse dispositivo possa se comunicar com neurônios reais em sistemas biológicos."