Neurnios artificiais acionados por luz imitam processamento do crebro

Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 04/04/2025

Neuromrfica ptica

A computao neuromrfica tenta replicar a capacidade de processamento das redes neurais biolgicas. No crebro, os neurnios funcionam com base em disparos rtmicos para codificar sinais, reconhecer padres e fazer a sincronizao das redes. Todas essas funes dependem de atividades oscilatrias para transmisso e processamento dos sinais.

Para imitar isso, o mais comum tem sido criar neurnios e sinapses artificiais que funcionam com base em estmulos eltricos, mecnicos ou trmicos. Mas sistemas baseados em luz oferecem vantagens em velocidade, eficincia energtica e miniaturizao. J foram demonstradas sinapses fotnicas antes, mas as implementaes exigem circuitos adicionais que aumentam o consumo de energia e a complexidade, confiscando os ganhos.

Bejoys Jacob e colegas do Laboratrio Ibrico Internacional de Nanotecnologia, em Portugal, superaram essas deficincias, criando um dispositivo integrado que realiza tanto a recepo sensorial quanto o comportamento oscilatrio, tudo funcionando com luz, mas sem a necessidade de qualquer circuito externo adicional.

Os dispositivos apresentaram comportamento oscilatrio estvel ao longo de ciclos de medio prolongados (>10³ ciclos), confirmando uma operao confivel sob condies controladas. A ptica modulada por pulsos permitiu obter controle sobre a excitao e a inibio dos disparos neuronais em rajada, demonstrando a viabilidade de codificar a entrada sensorial em sinais espao-temporais semelhantes aos sinais neurais.

Os resultados confirmaram que neurnios fotnicos neuromrficos podem ser fabricados usando fotodetectores, integrando o processamento de entrada sensorial e a computao neural oscilatria em um nico componente semicondutor miniaturizado, um marco para a computao neuromrfica tanto em termos tcnicos quanto em termos de viabilizao econmica.

Prottipos do sistema integrado de oscilaes induzidas por luz que imitam os sinais neuronais.
[Imagem: Bejoys Jacob et al. – 10.1038/s41598-025-90265-z]

Oscilaes neurais

O componente fundamental um diodo de tunelamento ressonante, um fotodetector que usa a luz para controlar a resistncia diferencial negativa, fabricado com um nico semicondutor, o arseneto de glio, j usado em tecnologias como o radar de luz (lidar).

Esses fotodetectores, com dimenses entre seis e dez micrmetros, funcionam como neurnios oscilatrios artificiais ativados por luz infravermelha prxima. Isto significa que sua resposta eltrica responde tenso aplicada, com a corrente eltrica primeiro subindo, depois caindo e ento subindo novamente.

Em condies de escurido, os componentes apresentaram apenas resistncia diferencial positiva, sem oscilaes. Mas, quando expostos a nveis controlados de luz infravermelha prxima, emergiu uma regio ativada por luz, levando gerao de oscilaes de voltagem autossustentadas.

As oscilaes de disparo podem ser ativadas ou suprimidas controlando a potncia da luz de entrada. Em intensidades de luz timas, o componente apresenta oscilaes de rajada estveis e peridicas, assemelhando-se atividade oscilatria observada nos neurnios biolgicos. Essas oscilaes ocorrem em frequncias em torno de 350 quilohertz e so ajustveis com base na tenso de polarizao e nas condies de iluminao.

Este um avano importante rumo a sistemas de viso artificial de alta velocidade e alta eficincia energtica, alm de aplicaes em computao de borda e computao bioinspirada.

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