Um dispositivo óptico usa sinais baseados em luz para computação e comunicação e é um passo vital para computadores neuromórficos avançados.
Imagine um computador que processe informações como o cérebro humano. Esse é o objetivo da computação neuromórfica, uma abordagem de engenharia da computação que envolve a emulação de componentes do cérebro humano e do sistema nervoso.
Ao modelar sistemas de computador de acordo com o cérebro humano, os pesquisadores esperam criar máquinas que possam aprender e se adaptar com mais eficiência do que nunca. Um aspecto fundamental desta pesquisa é o desenvolvimento de sinapses artificiais, que são dispositivos que podem imitar a maneira como os neurônios do cérebro se comunicam uns com os outros.
Uma ideia brilhante
Em um estudo recente publicado em Materiais Ópticos Avançados, os pesquisadores exploraram o uso de um dispositivo chamado fototransistor totalmente controlado por óptica para emular as funções sinápticas do cérebro humano. Em nossos cérebros, as sinapses são conexões entre os neurônios que permitem que a informação flua entre eles.
As sinapses excitatórias encorajam os neurônios a “disparar” e enviar um sinal, enquanto as sinapses inibitórias os suprimem. A capacidade dos neurônios de se comunicar dessa maneira é essencial para todos os aspectos da função cerebral, desde a percepção e a memória até a tomada de decisões e o controle motor.
Nos últimos anos, os pesquisadores têm trabalhado para criar sinapses artificiais que possam imitar esse processo, na esperança de criar máquinas mais eficientes e inteligentes. Uma abordagem para esse problema é usar dispositivos em nanoescala, como transistores, que podem emular o comportamento de sinapses biológicas.
Esses dispositivos podem ser programados para produzir diferentes tipos de respostas dependendo do sinal de entrada, muito parecido com uma sinapse biológica. No estudo atual, os pesquisadores da National Cheng Kung University em Taiwan exploraram o uso de um novo tipo de dispositivo chamado all – fototransistor IGZO/ZrOx controlado opticamente para emular funções sinápticas.
Este dispositivo é constituído por uma fina película de óxido de índio-gálio-zinco (IGZO) que é revestida por uma camada de óxido de zircônio (ZrOx). Quando exposto a diferentes tipos de luz, o dispositivo pode produzir uma “fotorresposta” positiva ou negativa.
Os pesquisadores conseguiram controlar o dispositivo usando diferentes comprimentos de onda de luz, o que lhes permitiu simular respostas positivas e negativas, como nas sinapses excitatórias e inibitórias em nossos cérebros.
A computação neuromórfica tradicional depende de circuitos eletrônicos, que podem ser complexos e difíceis de escalar. O uso de sinais luminosos poderia fornecer uma alternativa mais simples e eficiente.
“Ao usar a luz como sinais moduladores, a transmissão e o processamento do sinal serão mais rápidos do que os sinais elétricos, que terão aplicações em computação de alta velocidade. Em segundo lugar, as sinapses artificiais podem ser controladas remotamente com luz. Isso será benéfico para a operação sem fio”, escreveu Jen-Sue Chen, um dos autores do artigo, em um e-mail.
Preparando o caminho para computadores neuromórficos avançados
Essa tecnologia tem aplicações potenciais em vários campos, incluindo inteligência artificial, dispositivos médicos e muito mais. Por exemplo, poderia ser usado para criar sensores mais eficientes e inteligentes ou para desenvolver novos tipos de dispositivos protéticos que podem se comunicar com o sistema nervoso.
Além de servir como uma sinapse artificial na computação neuromórfica, este dispositivo fototransistor também é capaz de atuar como um sensor que detecta a luz ultravioleta (UV) e infravermelha (IR), que é crucial em diferentes tipos de dispositivos médicos.
Por exemplo, a luz ultravioleta é comumente usada em fototerapia para aliviar os sintomas de problemas de pele. No entanto, para garantir que a aplicação da luz UV seja segura, é crucial monitorar a intensidade da luz usando sensores UV especializados. Em eletrônicos vestíveis, a detecção de infravermelho (IR) é cada vez mais essencial para tarefas como monitoramento de temperatura, medição de fluxo sanguíneo e monitoramento de oxigenação de tecidos.
“Nosso fototransistor proposto pode integrar sensores UV e IR em um único dispositivo. Isso não apenas simplificará a fabricação, economizará custos, mas também aumentará a funcionalidade de dispositivos optoeletrônicos avançados”, disse Chen.
Referência: Jen-Sue Chen, et al., Sinalização sináptica excitatória e inibitória totalmente controlada por óptica através da fotoresposta bipolar de um fototransistor baseado em óxido, Materiais ópticos avançados (2023). DOI: 10.1002/adom.202300089
Crédito da imagem em destaque: Victor Aznabaev no Unsplash
