Investigadores observan un comportamiento similar al cerebro en un dispositivo a nanoescala 👀🕵🏻‍♀️

Los científicos de la UCLA James Gimzewski y Adam Stieg son parte de un equipo de investigación internacional que ha dado un paso significativo hacia el objetivo de crear máquinas de pensamiento.

Dirigido por investigadores del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, el equipo creó un dispositivo experimental que exhibía características análogas a ciertos comportamientos del cerebro: aprendizaje, memorización, olvido, vigilia y sueño. El documento, publicado en Scientific Reports , describe una red en un estado de flujo continuo.

«Este es un sistema entre el orden y el caos, al borde del caos», dijo Gimzewski, un distinguido profesor de química y bioquímica de la UCLA, miembro del Instituto de Nanosistemas de California en la UCLA y coautor del estudio. «La forma en que el dispositivo evoluciona y cambia constantemente imita el cerebro humano . Puede generar diferentes tipos de patrones de comportamiento que no se repiten».

La investigación es un primer paso en un camino que eventualmente podría conducir a computadoras que se asemejan física y funcionalmente al cerebro, máquinas que pueden ser capaces de resolver problemas con los que luchan las computadoras contemporáneas, y que pueden requerir mucha menos energía que las computadoras actuales.

El dispositivo que los investigadores estudiaron está hecho de una maraña de nanocables de plata, con un diámetro promedio de solo 360 nanómetros. (Un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro). Los nanocables se recubrieron con un polímero aislante de aproximadamente 1 nanómetro de espesor. En general, el dispositivo en sí medía unos 10 milímetros cuadrados, tan pequeño que tomaría 25 de ellos para cubrir un centavo.

Los nanocables se autoensamblaron aleatoriamente en una oblea de silicio y formaron estructuras altamente interconectadas que son notablemente similares a las que forman la neocorteza, la parte del cerebro involucrada en funciones superiores como el lenguaje, la percepción y la cognición.

Un rasgo que diferencia la red de nanocables de los circuitos electrónicos convencionales es que los electrones que fluyen a través de ellos provocan cambios en la configuración física de la red. En el estudio, la corriente eléctrica hizo que los átomos de plata migraran desde el interior del recubrimiento de polímero y formaran conexiones donde se superponen dos nanocables. El sistema tenía aproximadamente 10 millones de estas uniones, que son análogas a las sinapsis donde las células cerebrales se conectan y comunican.

Los investigadores unieron dos electrodos a la malla similar al cerebro para perfilar cómo funcionaba la red. Observaron «comportamiento emergente», lo que significa que la red mostró características en su conjunto que no podían atribuirse a las partes individuales que la componen. Este es otro rasgo que hace que la red se parezca al cerebro y la distingue de las computadoras convencionales.

Después de que la corriente fluyera a través de la red, las conexiones entre nanocables persistieron durante un minuto en algunos casos, lo que se parecía al proceso de aprendizaje y memorización en el cerebro. Otras veces, las conexiones se cierran abruptamente después de que finaliza la carga, imitando el proceso de olvido del cerebro.

En otros experimentos, el equipo de investigación descubrió que con menos energía fluyendo, el dispositivo exhibía un comportamiento que corresponde a lo que ven los neurocientíficos cuando usan la exploración funcional de MRI para tomar imágenes del cerebro de una persona dormida. Con más potencia, el comportamiento de la red de nanocables correspondía al del cerebro despierto.

El artículo es el último de una serie de publicaciones que examinan las redes de nanocables como un sistema inspirado en el cerebro, un área de investigación que Gimzewski ayudó a ser pionera junto con Stieg, un científico investigador de la UCLA y director asociado de CNSI.

«Nuestro enfoque puede ser útil para generar nuevos tipos de hardware que sean energéticamente eficientes y capaces de procesar conjuntos de datos complejos que desafíen los límites de las computadoras modernas», dijo Stieg, coautor del estudio.

La actividad caótica límite de la red de nanocables se asemeja no solo a la señalización dentro del cerebro sino también a otros sistemas naturales como los patrones climáticos. Eso podría significar que, con un mayor desarrollo, las futuras versiones del dispositivo podrían ayudar a modelar sistemas tan complejos.

En otros experimentos, Gimzewski y Stieg ya han convencido a un dispositivo de nanocables de plata para predecir con éxito las tendencias estadísticas en los patrones de tráfico de Los Ángeles en función de los datos de tráfico de años anteriores.

Debido a sus similitudes con el funcionamiento interno del cerebro, los dispositivos futuros basados ​​en tecnología de nanocables también podrían demostrar la eficiencia energética, como el propio procesamiento del cerebro. El cerebro humano funciona con una potencia aproximadamente equivalente a la utilizada por una bombilla incandescente de 20 vatios. Por el contrario, los servidores de computadoras donde se realizan tareas de trabajo intensivo, desde la capacitación para el aprendizaje automático hasta la ejecución de búsquedas en Internet, pueden usar el equivalente de la energía de muchos hogares, con la huella de carbono correspondiente.

«En nuestros estudios, tenemos una misión más amplia que simplemente reprogramar las computadoras existentes», dijo Gimzewski. «Nuestra visión es un sistema que eventualmente podrá manejar tareas más cercanas a la forma en que opera el ser humano».

Fuente: https://phys.org/news/2019-12-brain-like-behavior-nanoscale-device.html

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