Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Suzhou, en China, desarrollaron una matriz flexible de 100 sinapsis electrónicas artificiales que cambian de estado eléctrico en apenas 26 nanosegundos y se pueden descomponer químicamente en seis minutos. El trabajo se publicó en el International Journal of Extreme Manufacturing, informó New Atlas.

Los componentes, que se imprimen, también mostraron aprendizaje y memoria parecidos a los del cerebro. En una tarea simulada de reconocimiento de escritura a mano alcanzaron 97,23% de precisión. Los investigadores creen que la tecnología podría abrir el camino a hardware de cómputo más eficiente, barato y amigable con el ambiente.

El cerebro humano funciona con más o menos la misma energía que la ampolleta de un refrigerador, gracias a sus billones de sinapsis. Los científicos intentan reproducir esa capacidad con sinapsis artificiales imprimibles, flexibles, biocompatibles y reciclables, que no necesiten los metales rígidos ni los procesos de fabricación complejos de los componentes actuales.

¿Por qué imitar una sinapsis?

Parte de la eficiencia del cerebro viene de que memoria y procesamiento ocurren en el mismo lugar físico. Los computadores modernos, en cambio, suelen separar la memoria de la unidad de procesamiento. Las CPU tradicionales rinden en tareas secuenciales, como calcular una planilla enorme o correr una simulación física precisa, porque suelen exigir pasos en orden estricto a gran velocidad.

El procesamiento paralelo que piden aplicaciones como la inteligencia artificial es otra historia. La IA trabaja con miles de millones de variables interconectadas y mueve enormes cantidades de datos entre la memoria y el procesador. Incluso con hardware especializado en procesamiento paralelo, eso consume muchísima energía y genera un atochamiento de datos que puede limitar el rendimiento.

Para atacar esos cuellos de botella, los ingenieros han intentado reproducir la estructura unificada del cerebro con sinapsis artificiales rígidas, como memristores de dos terminales y transistores sinápticos. Estos componentes de escala nanométrica suelen fabricarse con silicio rígido y óxidos de metales de transición, como el óxido de hafnio (HfOx) o el dióxido de titanio (TiO2), en capas junto a metales densos y pesados como el platino o el tungsteno.

Los problemas de las sinapsis rígidas

Esos diseños tienen varias desventajas. Los filamentos metálicos microscópicos que crecen dentro de las capas de óxido lo hacen por caminos impredecibles y caóticos, así que cuesta muchísimo lograr un comportamiento uniforme y confiable entre millones de sinapsis artificiales de un mismo chip.

Además, muchos dispositivos convencionales usan materiales frágiles y rígidos que no se estiran ni se adaptan a superficies irregulares, lo que limita su uso en robótica blanda y en integración con tejidos biológicos. Algunas combinaciones de materiales también generan dudas de biocompatibilidad, sobre todo para implantes médicos. Y muchos de estos chips requieren procesos de fabricación complejos, con deposición al vacío de alto consumo energético y plantas de fabricación de semiconductores.

¿De qué está hecha la nueva sinapsis?

Los investigadores construyeron la sinapsis con un armazón orgánico unido por enlaces de hidrógeno (HOF, por su sigla en inglés), una red muy ordenada de moléculas orgánicas sostenidas por puentes de hidrógeno. Esos enlaces funcionan como pequeños soportes estructurales que mantienen las moléculas en un patrón estable.

El armazón, llamado TCPP-HOF, usa moléculas orgánicas llamadas porfirinas que se ensamblan en láminas planas bidimensionales, apiladas a unos 0,35 nanómetros de distancia. Esa estructura ordenada deja que las cargas eléctricas se muevan por el material con relativa facilidad. Así se resuelve un problema antiguo de los materiales electrónicos orgánicos, que suelen tener mala conductividad y un transporte de carga inestable.

Al aplicar un voltaje positivo, las cargas se mueven por la estructura molecular y los electrones quedan atrapados en sitios específicos del armazón. Eso crea un camino más conductor y baja la resistencia eléctrica del material. Un voltaje negativo invierte el proceso, libera las cargas atrapadas y vuelve a subir la resistencia. Controlando esos cambios, el dispositivo imita cómo las sinapsis biológicas refuerzan o debilitan sus conexiones cuando aprendemos y formamos recuerdos.

Para armar el dispositivo, los investigadores pusieron la capa de TCPP-HOF entre dos electrodos conductores de MXene. Después depositaron el conjunto sobre un sustrato plástico flexible de poliimina y obtuvieron una matriz de 10 × 10 con 100 sinapsis artificiales. Los electrodos y el material activo se depositaron con técnicas de recubrimiento líquido, sin los costosos equipos de deposición al vacío que se usan para fabricar semiconductores convencionales.

¿Qué mostraron las pruebas?

El equipo sometió las sinapsis a una serie de pruebas eléctricas y demostró que imitan varios mecanismos de aprendizaje biológico, entre ellos la potenciación y la depresión a largo plazo, en que la estimulación repetida refuerza o debilita las conexiones sinápticas. Los dispositivos mantuvieron de forma confiable 10 niveles distintos de conductancia, lo que les permite representar distintas fuerzas de conexión. Su tiempo de conmutación de 26 nanosegundos es especialmente rápido frente a las sinapsis artificiales basadas en HOF reportadas antes.

Para medir su potencial de cómputo, los investigadores usaron las características eléctricas medidas de los dispositivos en una red neuronal convolucional que reconoce dígitos manuscritos del conjunto estándar MNIST. La red alcanzó 97,23% de precisión, cerca del 99,24% de referencia en software. Eso sí, la prueba se hizo con un modelo de red que representa unas 120.000 sinapsis, no corriendo entera sobre la matriz física de 100 dispositivos.

También probaron la flexibilidad doblando el dispositivo 200 veces seguidas alrededor de un radio de unos 5 mm. Su comportamiento eléctrico casi no cambió, y la precisión en el reconocimiento de escritura después de doblarlo siguió en 96,33%. Esa flexibilidad, sumada a un proceso de fabricación relativamente simple, podría hacer atractiva la tecnología para monitores de salud usables, piel electrónica, robótica blanda y otras aplicaciones donde la electrónica rígida cuesta integrarla.

Un chip que desaparece

Los investigadores diseñaron el sustrato de poliimina para que se descomponga al sumergirlo en una solución química caliente con ciertos compuestos de amina. En seis minutos, el polímero se deshizo en componentes solubles y dejó solo material residual. Eso abre una posible vía hacia electrónica reciclable y dispositivos temporales que se desarman a propósito después de usarlos, con menos residuos electrónicos y quizás una forma de destruir físicamente información sensible.

Lo que todavía falta

La tecnología sigue en una etapa experimental temprana. Los investigadores demostraron velocidad de conmutación y buen desempeño en la red neuronal, pero aún no muestran cómo funcionarían los dispositivos en sistemas de cómputo grandes y completamente integrados. También quedan dudas sobre su durabilidad a largo plazo, su consumo de energía, la consistencia de su fabricación y si sirven para contacto directo con tejido vivo. Además, la descomposición química exige un tratamiento controlado.

Según los investigadores, los próximos pasos son llevar el prototipo de 100 dispositivos a matrices más grandes y desarrollar barreras protectoras para que la humedad del ambiente no interfiera con su funcionamiento.