Migliorare l’architettura dei computer con la biomimetica

Il cervello è particolarmente efficiente dal punto di vista energetico, in quanto elabora le informazioni memorizzandole negli stessi elementi che le processano. Invece per i computer il modo in cui vengono eseguiti i calcoli richiede attualmente la memorizzazione e l’elaborazione delle informazioni in parti diverse del calcolatore, rendendo il processo poco efficiente energeticamente. La costruzione di dispositivi neuromorfici, ovvero ispirati alle componenti del cervello umano, può rappresentare un importante passo avanti nelle applicazioni di intelligenza artificiale.

Uno studio coordinato da Alberto Giacomello del Dipartimento di Ingegneria meccanica e aerospaziale della Sapienza, in collaborazione con il Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute, il Sichuan university and Collaborative Innovation Center e l’Università di Roma Tor Vergata, prende ispirazione dai canali ionici che controllano il passaggio degli ioni nel cervello e sono essenziali per la propagazione ed elaborazione dei segnali elettrici nel sistema nervoso. Questo lavoro fa parte del progetto HyGate sul gating idrofobo finanziato dall’European Research Council.

Il lavoro, pubblicato sulla rivista “Nature Communications”, si è basato sull’ingegnerizzazione di un particolare canale transmembrana che, sfruttando l’idrofobicità e la formazione di nanobolle, riesce a riprodurre il comportamento elettrico dei canali ionici naturali, pur funzionando mediante processi più semplici.

Era già noto che i nanopori idrofobi, tipicamente non conduttivi, possono diventare conduttivi quando viene applicato un voltaggio. Questo nuovo studio sviluppa una teoria quantitativa per questo fenomeno, dimostrando, per la prima volta, che in particolari condizioni, può essere usato per memorizzare informazioni. La teoria è stata testata realizzando sperimentalmente il singolo dispositivo “memristivo” ed implementando questo elemento in applicazioni neuromorfiche dimostrative. 

“Eravamo interessati – afferma Alberto Giacomello – a progettare un nano-interruttore controllato dal voltaggio, ovvero in cui il cambiamento delle proprietà di conduzione è dovuto al gating idrofobo, meccanismo mediante cui bolle di dimensioni nanometriche, dette nanobolle, bloccano il passaggio degli ioni attraverso i canali. Abbiamo poi sfruttato il fenomeno dell’elettrowetting per causare il riempimento del nanoporo idrofobo e renderlo quindi conduttivo in maniera controllata”. 

Il singolo dispositivo è stato progettato a partire da un particolare nanoporo biologico che poteva essere modificato e bioingegnerizzato seguendo i criteri suggeriti dalla teoria e dalle simulazioni, portate avanti dallo studio in questione. Tale dispositivo è stato realizzato grazie alla collaborazione con i partner sperimentali che lavorano con questi canali e hanno potuto studiarne la risposta al voltaggio.

La ricerca ha così dimostrato un nuovo modo di costruire dispositivi memristivi iontronici, basato sul gating idrofobo, contribuendo a costruire basi più concrete per studiare l’effetto della tensione sulla conduzione in nanopori idrofobi. 

Inoltre, nuove architetture neuromorfiche potrebbero potenziare gli attuali algoritmi e i sistemi di intelligenza artificiale, rendendoli energeticamente più efficienti e sostenibili. Fra queste la iontronica che utilizzando gli ioni al posto degli elettroni come elementi conduttori apre a nuove prospettive anche in campo medico.