Chips desechables eficientes de materiales orgánicos

Calcular y procesar información de la forma en que lo hace nuestro cerebro, eso significaría una gran revolución para todo lo que ahora usamos las computadoras clásicas. Este llamado computación neuromórfica es mucho más eficiente y, por lo tanto, mucho más eficiente energéticamente. Y eso hace posibles aplicaciones completamente nuevas, como se puede leer en la primera parte de este díptico.

Uno con tu cuerpo

Pero hay muchas más posibilidades si intentas acercarte al ejemplo biológico. Porque si puedes hacer ‘computadoras’ que realmente funcionen como nuestro cerebro, también puedes comunicarte mucho más directamente con materiales biológicos, con células vivas e incluso con nuestro sistema nervioso. Esto habilitaría prótesis que no solo entienden las señales de nuestros nervios, sino que también brindan retroalimentación al revés. Esto permite que nuestro cerebro entrene y controle mejor la prótesis, de modo que el apego se vuelva mucho más uno con el cuerpo.

También puede pensar en combinaciones de sensores que coloca dentro o sobre el cuerpo y que miden continuamente cosas como la frecuencia cardíaca, el nivel de azúcar en la sangre o el nivel de oxígeno, y puede deducir inmediatamente de esto, por ejemplo, si es necesario administrar un medicamento. . Y debido a que un “parche inteligente” de este tipo hace todos los cálculos por sí mismo, no es necesario un intercambio con una computadora central en otro lugar. Funciona de forma completamente independiente. Eso hace una gran diferencia: sin cableado, sin baterías y sin necesidad de estar conectado a una red.

Pero si te tomas en serio la idea de conseguir una imitación cerebral de este tipo, tienes que ir “biológicamente”. Como Yuri van de Burgt, profesor asistente en la Universidad Tecnológica de Eindhoven. También está trabajando en chips neuromórficos, pero desde un punto de partida muy diferente al de los chips de Wilbert van der Wiel y colegas, que son muy innovadores, pero también muy convencionales en los materiales que utilizan. Van de Burgt opta por materiales orgánicos blandos y espera eventualmente hacer chips baratos, fáciles de entrenar y fáciles de imprimir, casi hacia chips desechables, y luego no tiene que trabajar con silicio y oro.

Configuración de prueba de un chip neuromórfico en el laboratorio de Yoeri van de Burgt. La candidata a doctorado Eveline van Doremaele mide cómo las señales entrantes se convierten en señales salientes.

Esther Thole para NEMO Kennislink

Carbono como base

El mundo viviente no funciona con oro o silicio, sino con materiales orgánicos que consisten en carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Es por eso que Van de Burgt usa estos bloques de construcción para construir sus chips inspirados en el cerebro. Se trata de los denominados polímeros orgánicos conductores; estas son moléculas largas que pueden pasar una corriente eléctrica y que ajustan su resistencia tan pronto como las partículas cargadas negativamente (electrones) o positivamente (iones) entran o salen del material. “Estos polímeros son neutros. Si un ión cargado positivamente entra en el material, debe compensarse. En respuesta a esto, el polímero expulsa una carga negativa, un electrón, que crea una resistencia adaptada ”, explica Van de Burgt. “Puedes ver la resistencia ajustada como un ‘recuerdo’, el material recuerda ese cambio”.

Gran parte de la comunicación en nuestro cuerpo y cerebro tiene lugar a través de iones. Los materiales como el oro y el silicio no pueden hacer nada con tal señal, pero los polímeros orgánicos sí. Esto los hace muy adecuados no solo para imitar el funcionamiento de las células cerebrales, sino también para comunicarse directamente con las células vivas. Van de Burgt y su grupo lo demostraron al conectar un pequeño circuito eléctrico, con una capa de un polímero conductor en la parte superior, a las células cerebrales vivas. Estas células secretan la dopamina química, que es una señal importante en nuestro cerebro. “La dopamina liberada reacciona con el oxígeno y un electrón de la capa de polímero también se usa en esa reacción. Luego, el polímero ajusta su resistencia para permanecer neutral, lo que resulta en una conductividad alterada. Puede medir eso como una corriente cambiante que fluye a través del circuito “. Por ejemplo, el equipo demostró que se puede controlar un sistema electrónico artificial con una señal natural de células vivas.

Sinapsis más fuerte

No solo los materiales y las señales utilizados difieren de los chips neuromórficos “duros”, el procesamiento de las señales en información también es fundamentalmente diferente. Los chips que fabrica Van de Burgt no requieren un procesador externo para su procesamiento: todo se hace de inmediato en el hardware o en el material orgánico. De hecho, el material ya está “programado” para responder a las señales de una determinada manera. “¿Qué haríamos? computación en memoria puede nombrar. Creamos algo que se asemeja a una red neuronal: una cadena de nodos interconectados, en la que a cada conexión se le da un cierto ‘peso’ que indica cuán importante es esta conexión para el resultado final. Eso es muy similar a cómo funcionan las cosas en el cerebro. Las neuronas están conectadas a través de una llamada sinapsis (una conexión) y cuanto más a menudo se comunican dos neuronas entre sí, más fuerte se vuelve la sinapsis. De esta manera, también puede ver las conexiones en nuestra red: cuanto más importante es una conexión para el resultado final, más peso adquiere “.

Detalle de la configuración de medición de la estudiante de doctorado Eveline van Doremaele. Las agujas perforan una capa de polímeros orgánicos conductores. Una señal eléctrica entrante viaja a través de la capa a otra parte del chip, donde la señal saliente se mide a través de otra aguja.

Roel van der Heijden para NEMO Kennislink

La gran ventaja, hasta ahora en teoría, es que dicho sistema en memoria se puede entrenar de manera mucho más eficiente. “Es una red de resistencias que se ajustan, todo al mismo tiempo. Eso es muy eficiente “. Gracias a los polímeros orgánicos, programar conexiones en una red de este tipo es muy predecible, dice Van de Burgt. “Un ion en él es un electrón fuera. Eso no cambia “. Un inconveniente de los polímeros orgánicos es que no solo reaccionan a la señal deseada, sino que también reaccionan, por ejemplo, con el oxígeno del aire. “Tales reacciones parasitarias son inevitables; los materiales orgánicos reaccionan muy fácilmente. Como resultado, la memoria de nuestras redes no dura indefinidamente: con el tiempo las cosas se ‘olvidan’ ”.

Sin embargo, Van de Burgt ve importantes oportunidades para estos chips orgánicos. “Debido a la alta previsibilidad, estos chips pueden funcionar de forma muy autónoma. Sabes exactamente lo que están haciendo y no necesitas una computadora externa para verificar si lo que querías programar realmente funcionó. Y puede entrenar una red de este tipo una y otra vez, lo que no es posible con un chip de silicio “. Otras ventajas, dice, son que estos sistemas consumen muy poca energía, que son materiales blandos y que son biocompatibles: pueden ‘hablar’ directamente con materiales biológicos. El hecho de que sean fáciles de hacer e imprimir y también muy baratos en comparación con los materiales de los chips clásicos también es, por supuesto, una ventaja.

Entrenar otra vez

La gran pregunta es, por supuesto, para qué puede utilizar estos chips orgánicos a largo plazo. No parecen ser un competidor serio para los chips de gigantes como IBM e Intel. Tampoco es eso lo que Van de Burgt tiene en mente. “Vemos las aplicaciones de laboratorio en un chip (versiones en miniatura de pruebas de laboratorio, ed.) Como un buen nicho, por ejemplo, para el diagnóstico. Dicho chip puede clasificar señales para obtener información sobre una posible enfermedad, como el reconocimiento de células cancerosas en una muestra de sangre. La ventaja de nuestros chips sería que siempre puede procesar nuevos conocimientos en el chip, porque puede entrenarlo nuevamente sobre la base de nuevos datos “.

Representación esquemática (no a escala) de la comunicación entre una célula nerviosa que recibe señales biológicas y libera dopamina en respuesta. La dopamina luego reacciona y el material neuromórfico la convierte en una señal eléctrica.

Según Van de Burgt, otra aplicación importante radica en la comunicación directa con nuestro cuerpo. Piense en sensores que se adhieren a la piel y que registran y procesan continuamente las señales de su cuerpo y, en base a esto, administran medicamentos. O implantes, como marcapasos o electrodos en el cerebro, que luego ya no están hechos de materiales rígidos extraños al cuerpo, sino de materiales que encajan mucho mejor con nuestro cuerpo. “Debido a que nuestros chips consumen tan poca energía y todo el procesamiento de la información se realiza directamente en el chip, no necesita una conexión a dispositivos externos o fuente de alimentación”.

Finalmente, Van de Burgt ve oportunidades para permitir que las prótesis se comuniquen mejor y más directamente con el cerebro al acoplar las terminaciones nerviosas a una “interfaz” de polímeros conductores. “Si hace que esta capa intermedia sea adaptativa, de modo que el material se adapte bajo la influencia de las señales del cerebro, el paciente puede entrenar la prótesis de manera mucho más directa. Esto es mucho más rápido que si la prótesis primero tuviera que enviar las señales a una computadora externa, que procesa todo y devuelve una señal corregida. Creo que podemos ofrecer muchos beneficios aquí con nuestros materiales ”.

Puntos de vista

Las posibilidades están ahí, pero las aplicaciones prácticas aún no están a la vista, admite Van de Burgt. “El gran desafío para nosotros es cómo podemos entrenar una red de este tipo de manera adecuada y eficiente ajustando el peso de todas las conexiones a la vez. Si entendemos ese principio, realmente podemos dar un paso “.

Fuentes:


Source: Kennislink by www.nemokennislink.nl.

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