Engenheiros da Universidade de Massachusetts Amherst desenvolveram um neurônio artificial cuja atividade elétrica se assemelha muito à das células cerebrais naturais. A inovação baseia-se na pesquisa anterior da equipe, que utilizou nanofios de proteína feitos a partir de bactérias produtivas de eletricidade. Essa nova abordagem pode abrir caminho para computadores que funcionem com a eficiência de sistemas vivos e que possam até se conectar diretamente com tecidos biológicos.
“Nosso cérebro processa uma quantidade enorme de dados”, diz Shuai Fu, um estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e computação na UMass Amherst e autor principal do estudo publicado na Nature Communications. “Mas seu consumo de energia é muito, muito baixo, especialmente em comparação com a quantidade de eletricidade necessária para operar um Modelo de Linguagem Grande, como o ChatGPT.”
O corpo humano opera com uma eficiência elétrica notável — mais de 100 vezes maior do que a de um circuito de computador típico. O cérebro, por si só, contém bilhões de neurônios, células especializadas que enviam e recebem sinais elétricos por todo o corpo. Realizar uma tarefa como escrever uma história consome apenas cerca de 20 watts de energia no cérebro humano, enquanto um grande modelo de linguagem pode exigir mais de um megawatt para realizar a mesma tarefa.
Os engenheiros há muito buscam projetar neurônios artificiais para uma computação mais eficiente em termos de energia, mas reduzir sua voltagem para níveis biológicos tem sido um grande obstáculo. “Versões anteriores de neurônios artificiais usavam 10 vezes mais voltagem — e 100 vezes mais energia — do que o que criamos”, afirma Jun Yao, professor associado de engenharia elétrica e computação na UMass Amherst e autor sênior do artigo. Por causa disso, os designs anteriores eram muito menos eficientes e não podiam se conectar diretamente com neurônios vivos, que são sensíveis a sinais elétricos mais fortes.
“Os nossos registram apenas 0,1 volts, que é aproximadamente o mesmo que os neurônios em nossos corpos”, diz Yao.
Há uma ampla gama de aplicações para o novo neurônio de Fu e Yao, desde a reestruturação de computadores com princípios bio-inspirados e muito mais eficientes, até dispositivos eletrônicos que poderiam se comunicar diretamente com nossos corpos.
“Atualmente temos todos os tipos de sistemas eletrônicos de detecção vestíveis”, diz Yao, “mas eles são comparativamente volumosos e ineficientes. Cada vez que eles detectam um sinal do nosso corpo, precisam amplificá-lo eletricamente para que um computador possa analisá-lo. Essa etapa intermediária de amplificação aumenta tanto o consumo de energia quanto a complexidade do circuito, mas sensores construídos com nossos neurônios de baixa voltagem poderiam funcionar sem nenhuma amplificação.”
O ingrediente secreto no novo neurônio de baixa potência da equipe é um nanofio de proteína sintetizado a partir da notável bactéria Geobacter sulfurreducens, que também tem o superpoder de produzir eletricidade. Yao, junto com vários colegas, usou os nanofios de proteína da bactéria para projetar uma infinidade de dispositivos extraordinariamente eficientes: um biofilme, alimentado pelo suor, que pode energizar eletrônicos pessoais; um “nariz eletrônico” que pode detectar doenças; e um dispositivo, que pode ser construído com quase qualquer coisa, que pode colher eletricidade do próprio ar.
Esta pesquisa foi apoiada pelo Army Research Office, pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA, pelos Institutos Nacionais de Saúde e pela Fundação Alfred P. Sloan.
