Un film di polimero spesso appena due nanometri può ricordare gli stimoli ricevuti e comportarsi come un neurone: al MIT nasce una nuova idea di computer.
Un computer normalmente pensa spostando elettroni. Al MIT stanno provando qualcosa di molto più strano: farlo pensare muovendo fisicamente la materia.
Il sedici settembre duemilaventisei un gruppo del Massachusetts Institute of Technology ha presentato su Science Advances una piattaforma nanomeccanica capace di imitare il comportamento di un neurone. Non è un processore destinato a sostituire domani CPU e GPU. È un dispositivo nel quale memoria e calcolo emergono direttamente dalle proprietà fisiche del materiale.
Il cuore del sistema contiene uno strato di polidimetilsilossano, o PDMS, spesso appena due nanometri, intrappolato tra due elettrodi metallici. Quando viene applicata una tensione, le superfici si attraggono e comprimono il polimero. Quando la tensione scompare il materiale, essendo viscoelastico, conserva per un certo tempo memoria della deformazione precedente. In pratica, la materia ricorda ciò che le è appena accaduto.
Proprietà meccaniche del materiale trasformate direttamente in memoria e calcolo. Ricostruzione editoriale originale Alfa Network.
Il neurone è nella materia
Un neurone biologico accumula stimoli fino a raggiungere una soglia e poi trasmette un impulso. Il dispositivo del MIT riproduce una dinamica simile: la tensione comprime progressivamente il PDMS e la risposta elettrica dipende non soltanto dal segnale presente, ma anche dalla storia recente del materiale. Superata una soglia, il sistema produce una risposta analoga al firing neuronale e poi torna gradualmente allo stato iniziale.
Normalmente memoria, elaborazione e dinamiche temporali richiedono componenti distinti. Qui una parte di quelle funzioni è incorporata nel comportamento fisico di un singolo elemento. La proprietà del materiale diventa parte dell'algoritmo.
Una molla spessa due nanometri
Quando due superfici vengono avvicinate a distanze nanometriche, le forze adesive possono farle collassare impedendo al dispositivo di tornare indietro. Il film morbido di PDMS agisce invece come una nanospring: bilancia le forze tra gli elettrodi e permette trasformazioni controllabili e reversibili.
Secondo i ricercatori, la combinazione tra deformazione meccanica e memoria viscoelastica consente di progettare differenti dinamiche temporali modificando le proprietà del polimero. Non siamo quindi davanti a un neurone artificiale scritto soltanto nel software: memoria, soglia e tempo di risposta possono essere ingegnerizzati intervenendo sulla materia stessa.
Il problema che CPU e GPU si portano dietro
Questa ricerca incontra uno dei grandi limiti dell'informatica contemporanea. I processori consumano energia anche per spostare continuamente dati tra memoria e unità di elaborazione. Il cervello segue una logica differente: neuroni e sinapsi conservano stato ed elaborano segnali nello stesso tessuto, in modo distribuito.
Il neuromorphic computing cerca da anni di avvicinarsi a questo modello. Nel duemilaventisei esperimenti con reti neurali impulsive su Intel Loihi 2 hanno mostrato object detection in tempo reale con consumi dinamici per inferenza inferiori alle piattaforme edge convenzionali usate nei confronti. Il dispositivo MIT percorre una strada ancora più radicale: sfruttare direttamente una trasformazione fisica nanometrica per realizzare la dinamica neuronale.
Wearable, protesi intelligenti e sensori autonomi sono tra i territori possibili della computazione neuromorfica. Ricostruzione editoriale originale Alfa Network.
Il posto giusto potrebbe essere il nostro polso
La ricerca è ancora una dimostrazione sperimentale. Le applicazioni più interessanti potrebbero però essere protesi robotiche che interpretano il contatto localmente, cerotti sanitari che analizzano segnali senza inviare ogni campione al cloud, piccoli robot autonomi e sensori ambientali capaci di funzionare con pochissima energia.
Il MIT cita proprio protesi intelligenti, dispositivi sanitari indossabili, monitoraggio e robot adattivi tra i possibili territori futuri della tecnologia.
Quando la materia diventa computer
Il gruppo vuole ora integrare ulteriormente sensing, memoria e calcolo. Un materiale potrebbe un giorno non limitarsi a rilevare una pressione o una variazione ambientale: potrebbe interpretarla localmente e modificare il proprio comportamento.
Il dispositivo resta un esperimento di laboratorio. Non sappiamo ancora se potrà essere prodotto a milioni, quanto durerà dopo miliardi di cicli o quanto sarà semplice collegare migliaia di questi elementi in una rete utile. Ma l'idea ribalta una convinzione molto antica: per calcolare non è obbligatorio costruire un circuito che ordina alla materia cosa fare. A volte può essere la materia stessa a sapere come rispondere.
Donald – Alfa Network