Neurônios artificiais replicam funções biológicas trocando elétrons por íons

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/11/2025

Chip com uma matriz dos novos neurônios, fabricados na sala limpa da universidade, com uma região ativa de cerca de 4 micrômetros quadrados para cada neurônio.
[Imagem: Yang Lab/USC]

Íons em vez de elétrons

Pesquisadores desenvolveram neurônios artificiais capazes de replicar o complexo comportamento eletroquímico das células cerebrais biológicas, um verdadeiro salto na tecnologia da computação neuromórfica.

Ao contrário dos processadores digitais convencionais, ou mesmo dos chips neuromórficos já em desenvolvimento, que apenas simulam a atividade neural, estes novos neurônios artificiais incorporam fisicamente - ou emulam - a dinâmica analógica de seus equivalentes biológicos.

Por serem uma replicação física do processo biológico, eles diferem das versões anteriores de neurônios artificiais baseados em silício, que eram meramente equações matemáticas. Assim como os neurotransmissores iniciam a atividade no cérebro, substâncias químicas podem ser usadas para iniciar a computação em dispositivos de hardware neuromórficos, ou inspirados no cérebro, construídos com estes novos neurônios artificiais.

Estes novos componentes permitirão a redução do tamanho dos chips em várias ordens de magnitude, além de diminuir o consumo de energia, também em várias ordens de magnitude. Um dos efeitos práticos de maior impacto deverá ser impulsionar o campo da inteligência artificial sem consumir toda a energia elétrica disponível.

Esquema e protótipos dos memoristores difusivos, que trabalham com íons, e não com elétrons, um conceito conhecido como iontrônica.
[Imagem: Ruoyu Zhao et al. - 10.1038/s41928-025-01488-x]

Memoristor difusivo

O componente fundamental, criado por Ruoyu Zhao e colegas da Universidade do Sul da Califórnia, um "memoristor difusivo", um componente eletrônico dotado de memória intrínseca, mas que agora imita um neurônio biológico com base no movimento dos átomos que o compõem.

No lado biológico, o cérebro utiliza sinais elétricos e químicos para controlar as ações do corpo. Os neurônios, ou células nervosas, começam com sinais elétricos que, ao atingirem o espaço ou fenda na extremidade do neurônio, chamado sinapse, são convertidos em sinais químicos, para transmitir e processar a informação. Assim que a informação passa para o próximo neurônio, alguns desses sinais são novamente convertidos em sinais elétricos ao atravessarem o corpo do neurônio.

Este é o processo físico que a equipe conseguiu emular com alta-fidelidade em diversos aspectos críticos. A grande vantagem é que o neurônio artificial baseado em memoristores difusivos exige apenas o espaço de um único transístor, em vez das dezenas ou centenas de transistores utilizados para emular cada neurônio nos protótipos de processadores neuromórficos criados até agora.

Em um neurônio biológico, íons como potássio, sódio ou cálcio ajudam a gerar os sinais elétricos que desencadeiam a ação dentro do neurônio. No novo neurônio artificial, são usados íons de prata em uma matriz de óxido para gerar pulsos elétricos e simular processos computacionais avançados, incluindo atividades típicas do cérebro, como movimento, aprendizado e planejamento. É justamente o processo de difusão dos íons de prata que dá nome ao novo componente (memoristor difusivo).

"Embora não sejam exatamente os mesmos íons em nossas sinapses e neurônios artificiais, a física que rege o movimento dos íons e a dinâmica é muito semelhante," disse o professor Joshua Yang, coordenador da equipe. "A prata se difunde facilmente e nos proporciona a dinâmica necessária para emular o biossistema, permitindo-nos alcançar a função dos neurônios com uma estrutura muito simples."

Existem inúmeros esforços rumo à computação iônica.
[Imagem: Woo-Bin Jung/Harvard SEAS]

Um transístor, um neurônio

A eficiência destes memristores difusivos não envolve apenas um consumo mínimo de energia, mas também o tamanho. Normalmente, um celular possuir cerca de 10 chips, cada um com bilhões de transistores. O problema é que simular um único neurônio ou uma única sinapse exige montar circuitos que demandam dezenas ou centenas de transistores.

"Em vez disso, usamos apenas a área de um transístor para cada neurônio. Estamos projetando os blocos de construção que nos permitem reduzir o tamanho do chip em várias ordens de magnitude, reduzir o consumo de energia em várias ordens de magnitude, para que seja sustentável realizar IA no futuro, com um nível semelhante de inteligência sem gastar energia de forma insustentável," disse Yang.

Mas ainda há desafios a vencer. Além de ser necessário agora fabricar e demonstrar o funcionamento de circuitos neuromórficos completos, será necessário lidar com a prata: Os íons usados nesta demonstração de conceito não são exatamente compatíveis com a fabricação convencional de semicondutores.

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