Il y a seulement 10 ans, les scientifiques travaillant sur ce qu'ils espéraient ouvrirait une nouvelle frontière de l'informatique neuromorphique ne pouvaient que rêver d'un appareil utilisant des outils miniatures appelés memristors qui fonctionneraient comme de vraies synapses cérébrales.

Mais maintenant, une équipe de l'Université du Massachusetts Amherst a découvert, en route pour mieux comprendre les nanofils protéiques, comment utiliser ces biologiques, des filaments conducteurs d'électricité pour réaliser un memristor neuromorphe, ou "transistor à mémoire, ". Il fonctionne extrêmement efficacement sur une très faible puissance, comme le font les cerveaux, pour transporter des signaux entre les neurones. Les détails sont dans Communication Nature .

En tant que premier auteur Tianda Fu, un doctorat candidat en génie électrique et informatique, explique, l'un des plus grands obstacles à l'informatique neuromorphique, et celui qui le faisait sembler inaccessible, est que la plupart des ordinateurs conventionnels fonctionnent à plus de 1 volt, tandis que le cerveau envoie des signaux appelés potentiels d'action entre les neurones à environ 80 millivolts, beaucoup plus bas. Aujourd'hui, une décennie après les premières expériences, la tension du memristor a été atteinte dans une plage similaire à celle d'un ordinateur conventionnel, mais descendre en dessous semblait improbable, il ajoute.

Fu rapporte qu'en utilisant des nanofils de protéines développés à UMass Amherst à partir de la bactérie Geobacter par le microbiologiste et co-auteur Derek Lovely, il a maintenant mené des expériences où les memristors ont atteint des tensions neurologiques. Ces tests ont été effectués dans le laboratoire du chercheur en génie électrique et informatique et co-auteur Jun Yao.

Yao dit, "C'est la première fois qu'un appareil peut fonctionner au même niveau de tension que le cerveau. Les gens n'osaient probablement même pas espérer que nous pourrions créer un appareil aussi économe en énergie que les homologues biologiques dans un cerveau, mais maintenant, nous avons des preuves réalistes de capacités de calcul à ultra-faible consommation. C'est une percée conceptuelle et nous pensons que cela va provoquer beaucoup d'exploration dans l'électronique qui fonctionne dans le régime de tension biologique."

Lovely souligne que les nanofils de protéines électriquement conducteurs de Geobacter offrent de nombreux avantages par rapport aux nanofils de silicium coûteux, qui nécessitent des produits chimiques toxiques et des processus à haute énergie pour produire. Les nanofils de protéines sont également plus stables dans l'eau ou les fluides corporels, une caractéristique importante pour les applications biomédicales. Pour ce travail, les chercheurs coupent les nanofils des bactéries afin que seule la protéine conductrice soit utilisée, il ajoute.

Fu dit que lui et Yao avaient entrepris de mettre les nanofils purifiés à l'épreuve, pour voir de quoi ils sont capables à différentes tensions, par exemple. Ils ont expérimenté un modèle de pulsation marche-arrêt de charge positive-négative envoyée à travers un minuscule fil métallique dans un memristor, qui crée un interrupteur électrique.

Ils ont utilisé un fil métallique car les nanofils de protéines facilitent la réduction des métaux, modification de la réactivité des ions métalliques et des propriétés de transfert d'électrons. Lovely dit que cette capacité microbienne n'est pas surprenante, parce que les nanofils bactériens sauvages respirent et réduisent chimiquement les métaux pour obtenir leur énergie comme nous respirons l'oxygène.

Comme les impulsions marche-arrêt créent des changements dans les filaments métalliques, de nouveaux branchements et connexions sont créés dans le petit appareil, qui est 100 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu humain, Yao explique. Cela crée un effet similaire à l'apprentissage - de nouvelles connexions - dans un vrai cerveau. Il ajoute, "Vous pouvez moduler la conductivité, ou la plasticité de la synapse nanofil-memristor afin qu'elle puisse émuler des composants biologiques pour l'informatique inspirée du cerveau. Par rapport à un ordinateur conventionnel, cet appareil a une capacité d'apprentissage qui n'est pas basée sur un logiciel."

Fu se souvient, « Dans les premières expériences que nous avons faites, les performances des nanofils n'étaient pas satisfaisantes, mais c'était suffisant pour que nous continuions." Plus de deux ans, il a vu une amélioration jusqu'au jour fatidique où ses yeux et ceux de Yao ont été rivés par des mesures de tension apparaissant sur un écran d'ordinateur.

« Je me souviens du jour où nous avons vu cette excellente performance. Nous avons regardé l'ordinateur pendant que le balayage de la tension actuelle était mesuré. Il a continué à descendre et à descendre et nous nous sommes dit :'Wow, ça marche.' C'était très surprenant et très encourageant."

Fu, Yao, Lovely et ses collègues prévoient de poursuivre cette découverte avec plus de recherches sur les mécanismes, et pour "explorer pleinement la chimie, biologie et électronique" des nanofils de protéines dans les memristors, Fu dit, plus les applications possibles, qui pourrait inclure un appareil pour surveiller la fréquence cardiaque, par exemple. Yao ajoute, "Cela offre de l'espoir dans la faisabilité qu'un jour cet appareil puisse parler à de vrais neurones dans les systèmes biologiques."