Cientistas constroem neurônios artificiais que funcionam como reais

“Nosso cérebro processa uma enorme quantidade de dados”, diz Shuai Fu, estudante de graduação em engenharia elétrica e de computação na UMass Amherst e autor principal do estudo publicado em Comunicações da Natureza. “Mas seu consumo de energia é muito, muito baixo, especialmente comparado à quantidade de eletricidade necessária para executar um modelo de linguagem grande, como o ChatGPT.”

O corpo humano opera com notável eficiência elétrica – mais de 100 vezes maior que a de um circuito de computador típico. Só o cérebro contém bilhões de neurônios, células especializadas que enviam e recebem sinais elétricos por todo o corpo. Executar uma tarefa como escrever uma história utiliza apenas cerca de 20 watts de energia do cérebro humano, enquanto um modelo de linguagem grande pode exigir mais de um megawatt para realizar a mesma coisa.

Os engenheiros há muito procuram projetar neurônios artificiais para uma computação mais eficiente em termos energéticos, mas reduzir sua voltagem para corresponder aos níveis biológicos tem sido um grande obstáculo. “As versões anteriores de neurônios artificiais usavam 10 vezes mais voltagem – e 100 vezes mais energia – do que aquela que criamos”, diz Jun Yao, professor associado de engenharia elétrica e de computação na UMass Amherst e autor sênior do artigo. Por causa disso, os projetos anteriores eram muito menos eficientes e não conseguiam se conectar diretamente aos neurônios vivos, que são sensíveis a sinais elétricos mais fortes.

“Os nossos registam apenas 0,1 volts, o que é quase o mesmo que os neurónios do nosso corpo”, diz Yao.

Há uma ampla gama de aplicações para o novo neurônio de Fu e Yao, desde o redesenho de computadores com base em princípios bioinspirados e muito mais eficientes, até dispositivos eletrônicos que poderiam falar diretamente com nossos corpos.

“Atualmente, temos todos os tipos de sistemas de detecção eletrônicos vestíveis”, diz Yao, “mas eles são comparativamente desajeitados e ineficientes. Cada vez que detectam um sinal do nosso corpo, eles precisam amplificá-lo eletricamente para que um computador possa analisá-lo. Essa etapa intermediária de amplificação aumenta o consumo de energia e a complexidade do circuito, mas os sensores construídos com nossos neurônios de baixa tensão poderiam funcionar sem qualquer amplificação. “

O ingrediente secreto do novo neurônio de baixa potência da equipe é um nanofio de proteína sintetizado a partir de bactérias notáveis Geobacter sulfurreducensque também tem o superpoder de produzir eletricidade. Yao, juntamente com vários colegas, usaram os nanofios de proteína da bactéria para projetar uma série de dispositivos extraordinariamente eficientes: um biofilme, alimentado pelo suor, que pode alimentar dispositivos eletrônicos pessoais; um “nariz eletrônico” que pode farejar doenças; e um dispositivo, que pode ser construído com quase qualquer coisa, que pode extrair eletricidade do próprio ar.

Esta pesquisa foi apoiada pelo Gabinete de Pesquisa do Exército, pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, pelos Institutos Nacionais de Saúde e pela Fundação Alfred P. Sloan.