Chaque instant de veille, notre cerveau traite une quantité massive de données pour donner un sens au monde extérieur. Ainsi, en imitant la façon dont le cerveau humain résout les problèmes quotidiens, les systèmes neuromorphiques ont un potentiel énorme pour révolutionner l'analyse des mégadonnées et les problèmes de reconnaissance de formes qui sont une lutte pour les technologies numériques actuelles. Mais pour que les systèmes artificiels ressemblent davantage à un cerveau, ils doivent reproduire la façon dont les cellules nerveuses communiquent à leurs terminaisons, appelé les synapses.
Dans une étude publiée dans le numéro de septembre de le Journal de l'American Chemical Society , des chercheurs de la Texas A&M University ont décrit un nouveau matériau qui capture le modèle d'activité électrique au niveau de la synapse. Tout comme une cellule nerveuse produit une impulsion de courant oscillant en fonction de l'historique de l'activité électrique au niveau de sa synapse, les chercheurs ont déclaré que leur matériau oscillait du métal à l'isolant à une température de transition déterminée par l'histoire thermique de l'appareil.
Les matériaux sont généralement classés en métaux ou en isolants selon qu'ils sont conducteurs de chaleur et d'électricité. Mais certains matériaux, comme le dioxyde de vanadium, mener une double vie. A certaines températures, le dioxyde de vanadium agit comme un isolant, résister à la circulation de la chaleur et des courants électriques. Mais lorsqu'il est chauffé à 67 degrés Celsius, le dioxyde de vanadium subit un changement de type caméléon dans ses propriétés internes, conversion en métal.
Ces oscillations de va-et-vient dues à la température font du dioxyde de vanadium un candidat idéal pour les systèmes électroniques inspirés du cerveau puisque les neurones produisent également un courant oscillatoire, appelé potentiel d'action.
Mais les neurones mettent également leurs entrées en commun au niveau de leur synapse. Cette intégration augmente régulièrement la tension de la membrane du neurone, le rapprochant d'une valeur seuil. Lorsque ce seuil est franchi, les neurones déclenchent un potentiel d'action.
"Un neurone peut se rappeler à quelle tension se trouve sa membrane et en fonction de l'endroit où se trouve sa tension membranaire par rapport au seuil, le neurone se déclenchera ou restera en sommeil, " a déclaré le Dr Sarbajit Banerjee, professeur au Département des sciences et génie des matériaux et au Département de chimie, et l'un des auteurs principaux de l'étude. "Nous voulions modifier la propriété du dioxyde de vanadium afin qu'il conserve une certaine mémoire de sa proximité avec la température de transition afin que nous puissions commencer à imiter ce qui se passe au niveau de la synapse des neurones biologiques."
Les températures de transition pour un matériau donné sont généralement fixes à moins qu'une impureté, appelé dopant, est ajouté. Bien qu'un dopant puisse déplacer la température de transition en fonction de son type et de sa concentration dans le dioxyde de vanadium, L'objectif de Banerjee et de son équipe était d'imprégner un moyen d'ajuster la température de transition vers le haut ou vers le bas d'une manière reflétant non seulement la concentration du dopant, mais aussi le temps écoulé depuis sa réinitialisation. Cette souplesse, ils ont trouvé, n'était possible que lorsqu'ils utilisaient le bore.
Lorsque les chercheurs ont ajouté du bore au dioxyde de vanadium, le matériau est encore passé d'un isolant à un métal, mais la température de transition dépendait maintenant de combien de temps il restait dans un nouvel état métastable créé par le bore.
« Les neurones biologiques ont une mémoire de leur tension membranaire ; de même, le dioxyde de vanadium enrichi de bore a une mémoire de son histoire thermique, ou formellement parlant, depuis combien de temps il est dans un état métastable, " a déclaré le Dr Diane Sellers, l'un des principaux auteurs de l'étude et un ancien chercheur scientifique du laboratoire de Banerjee. "Cette mémoire détermine la température de transition à laquelle l'appareil est amené à osciller du métal à un isolant."
Alors que leur système est une première étape pour imiter une synapse biologique, des expériences sont actuellement en cours pour introduire plus de dynamisme dans le comportement du matériau en contrôlant la cinétique du processus de relaxation du dioxyde de vanadium, a déclaré le Dr Patrick Shamberger, professeur au département des sciences des matériaux et auteur correspondant de l'étude.
Dans le futur proche, Dr Xiaofeng Qiang, professeur au département de science des matériaux et collaborateur de Banerjee sur ce projet, prévoit d'étendre la recherche actuelle en explorant les structures atomiques et électroniques d'autres composés d'oxyde de vanadium plus complexes. En outre, l'équipe collaborative étudiera également la possibilité de créer d'autres matériaux neuromorphiques avec des dopants alternatifs.
"Nous aimerions étudier si le phénomène que nous avons observé avec le dioxyde de vanadium s'applique à d'autres réseaux hôtes et à d'autres atomes invités, " a déclaré le Dr Raymundo Arróyave, professeur au département des sciences des matériaux et auteur correspondant de l'étude. "Cette idée peut nous fournir plusieurs outils pour affiner davantage les propriétés de ces types de matériaux neuromorphiques pour diverses applications."
Erick J. Braham du Département de chimie est le co-auteur principal de cette étude. Parmi les autres contributeurs à cette recherche, citons Baiyu Zhang, Drs. Timothy D. Brown et Heidi Clarke du département de science des matériaux; Ruben Villarreal du Département de génie mécanique J. Mike Walker '66; Abhishek Parija, Theodore E. G. Alivio et le Dr Luis R. De Jesus du Département de chimie ; Dre Lucia Zuin de l'Université de la Saskatchewan, Canada; et le Dr David Prendergast du Lawrence Berkeley National Laboratory, Californie.
