Sviluppato un neurone elettrochimico organico che imita la funzione neurale umana, consentendo la percezione tattile in tempo reale. Questa ricerca rappresenta una innovazione nell'elettronica organica e nei sistemi neuromorfi
I sistemi di percezione neuromorfa di ispirazione bioelettronica hanno il potenziale per stimoli ambientali di rilevamento e elaborazione efficienti. Tuttavia, i neuroni e le sinapsi artificiali costruite con silicio e materiali inorganici sono determinati dalla loro limitata compatibilità con i sistemi biologici. Transistor elettrochimici organici (OECT) sono emersi per la costruzione di neuroni elettrochimici organici (OECN) perché i loro meccanismi di lavoro assomigliano a quelli di vari processi biologici. Tuttavia, espandere la gamma di risposte dei neuroni che gli OECN possono imitare rimane impegnativo.
I processi biologici progettati artificialmente, come i sistemi di percezione, restano un obiettivo inafferrabile per gli esperti di elettronica organica, a causa della dipendenza dei sensi umani da una rete adattiva di neuroni sensoriali, che comunicano attivandosi in risposta a stimoli ambientali.
Una nuova collaborazione tra la Northwestern University e la Georgia Tech ha sbloccato un nuovo potenziale per il campo creando un nuovo neurone elettrochimico organico ad alte prestazioni che risponde entro la gamma di frequenza dei neuroni umani. Hanno anche costruito un sistema di percezione completo progettando altri materiali organici e integrando i loro neuroni ingegnerizzati con recettori tattili artificiali e sinapsi, che hanno consentito il rilevamento e l'elaborazione del segnale tattile in tempo reale.
La ricerca, descritta in un articolo pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) (1), potrebbe fare la differenza nel campo dei robot intelligenti e di altri sistemi attualmente ostacolati da apparati di rilevamento meno potenti di quelli umani.
«Lo studio evidenzia progressi significativi nell'elettronica organica e nella sua applicazione nel colmare il divario tra biologia e tecnologia», ha affermato la prima autrice Yao Yao (2), professoressa associata di ricerca presso la Northwestern Engineering. «Abbiamo creato un neurone artificiale efficiente con ingombro ridotto e caratteristiche neuronali eccezionali. Sfruttando questa capacità, abbiamo sviluppato un sistema di percezione neuromorfica tattile completo per imitare i processi biologici reali».
Secondo l'autore corrispondente Tobin J. Marks (3), il professore di chimica Charles E. e la dottoressa Emma H. Morrison, che lavorano presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern University (4), i circuiti neurali artificiali esistenti tendono ad attivarsi entro un intervallo di frequenza ristretto.
«Il neurone sintetico in questo studio raggiunge prestazioni senza precedenti nella modulazione della frequenza di attivazione, offrendo una gamma 50 volte più ampia rispetto ai circuiti neurali elettrochimici organici esistenti», racconta Marks. «Al contrario, le eccezionali caratteristiche neuronali del nostro dispositivo lo stabiliscono come un risultato avanzato nei neuroni elettrochimici organici».
Il dottor Marks è un leader mondiale nei campi della chimica organometallica, della catalisi chimica, della scienza dei materiali, dell'elettronica organica, del fotovoltaico e della nanotecnologia. È anche professore di scienza e ingegneria dei materiali e professore di ingegneria chimica e biologica alla Mc Cormick School of Engineering, e professore di fisica applicata. Il suo coautore corrispondente Antonio Facchetti (5), professore alla Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering, è anche professore associato di chimica alla Northwestern.
«Questo studio presenta il primo sistema completo di percezione tattile neuromorfica basato su neuroni artificiali, che integra recettori tattili artificiali e sinapsi artificiali», ha affermato Facchetti. «Dimostra la capacità di codificare stimoli tattili in segnali neuronali a picco in tempo reale e di tradurli ulteriormente in risposte post-sinaptiche».
Il team comprendeva dipartimenti e scuole, con ricercatori specializzati nella sintesi organica che creavano materiali avanzati con i quali i ricercatori di dispositivi elettronici incorporavano poi nella progettazione e fabbricazione dei circuiti e nell'integrazione dei sistemi.
Se si tiene conto dell'immensa rete di 86 miliardi di neuroni del cervello umano, i sistemi di rilevamento restano difficili da ricreare. Gli scienziati sono limitati sia dall'ingombro del design sia dalla quantità che possono creare. Nei modelli futuri, il team spera di ridurre ulteriormente le dimensioni del dispositivo, portando il progetto un passo più vicino a imitare completamente i sistemi di rilevamento umani.
Riferimenti:
(1) An organic electrochemical neuron for a neuromorphic perception system
(2) Meet the Group | Tobin Marks Group
(3) Tobin J. Marks
(4) Weinberg College - Northwestern University
Descrizione foto: Neuroni sintetici. - Credit: Northwestern University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Scientists ‘Mimic Real Biological Processes’ Using Synthetic Neurons