As redes neurais que alimentam os principais sistemas de IA de hoje podem superar o cérebro humano quando se trata de detectar padrões em grandes extensões de dados estáticos. Mas quando há poucos dados para aprender ou os fluxos de dados variam dinamicamente ao longo do tempo, eles tendem a ter dificuldades.
Isto é onde o cérebro humano brilha, porém, o que levou muitos pesquisadores a tentar a emprestar alguns dos seus princípios de design para criar novos paradigmas de computação, um campo conhecido como computação neuromorphic .
E agora pesquisadores da Universidade de Sydney e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão mostraram que podem usar uma rede aleatória de nanofios para replicar a estrutura e a dinâmica do cérebro para resolver tarefas de processamento simples.
“O que é tão empolgante sobre esse resultado é que ele sugere que esses tipos de redes de nanofios podem ser sintonizados em regimes com diversas dinâmicas coletivas semelhantes às do cérebro, que podem ser aproveitadas para otimizar o processamento de informações”, disse Zdenka Kuncic, da Universidade de Sydn ey em um comunicado de imprensa .
As redes neurais profundas de hoje já imitam um aspecto do cérebro: sua rede de neurônios altamente interconectada. Mas os neurônios artificiais se comportam de maneira muito diferente dos biológicos, pois apenas realizam cálculos. No cérebro, os neurônios também são capazes de lembrar sua atividade anterior, o que influencia seu comportamento futuro.
Essa memória embutida é um aspecto crucial de como o cérebro processa as informações, e uma das principais vertentes da engenharia neuromórfica se concentra na tentativa de recriar essa funcionalidade. Isso resultou em uma ampla gama de designs para os chamados “ memristores ”: componentes elétricos cuja resposta depende dos sinais anteriores aos quais foram expostos.
Propriedades memristivas também são encontradas nas junções onde os nanofios de prata se sobrepõem, o que os tornou um alvo cada vez mais popular para engenheiros neuromórficos. Eles têm o benefício adicional de poderem se automontar em redes complexas - não muito diferentes daquelas encontradas no cérebro - com as junções memristivas agindo um pouco como sinapses entre neurônios.
Em um pape r na Nature Communications , os pesquisadores descrevem como eles criaram uma rede aleatória de nanofios 10 micromete r s longas e há mais espessa do que 500 nanômetros e depois sujeitou à estimulação elétrica.
À medida que a corrente passava pela rede, as junções memristivas eram ligadas e desligadas, alterando o caminho percorrido pelo sinal. Mas o padrão dessa mudança variava consideravelmente dependendo da força do sinal de entrada. Quando o sinal estava baixo, os caminhos eram muito ordenados e previsíveis, mas quando estava alto, eles se tornavam completamente caóticos.
Para testar se essa dinâmica poderia ser usada para processamento de informações, a equipe criou uma simulação da rede e tentou ensiná-la a realizar uma tarefa simples de processamento de sinal - converter uma forma de onda em outra.
Eles ajustaram a amplitude e a frequência da entrada para ver se isso afetaria o desempenho e descobriram que a rede se saiu melhor quando a intensidade do sinal estava prestes a colocá-la em um estado caótico. Essa descoberta é intrigante, porque especula-se que o cérebro humano também opera nesse regime.
“Algumas teorias da neurociência sugerem que a mente humana poderia operar neste limiar do caos, ou o que é chamado de estado crítico”, disse Kuncic. “Alguns neurocientistas pensam que é neste estado que alcançamos o desempenho cerebral máximo.”
Outra descoberta atraente que os pesquisadores fizeram foi que o estado de “borda do caos” era mais poderoso ao tentar converter entre as formas de onda mais diferentes. Isso corresponde aos resultados anteriores e sugere que, embora a abordagem possa não ser eficiente para tarefas simples, é particularmente adequada para tarefas mais complexas.
No entanto, há um longo caminho a percorrer antes que essas redes de nanofios cheguem perto de igualar o poder do cérebro humano. O desafio que os pesquisadores definiram é muito simples e, até agora, só foi demonstrado em uma simulação da rede, e não na realidade. A extensão em que esse estado de “limite do caos” é central para a forma como o cérebro funciona também está longe de ser resolvida.
Mas os resultados de d i d dar peso ao argumento de que as redes de nanofios poderia ser um caminho promissor para recriar o processamento poderoso e eficiente em termos energéticos do cérebro.
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