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Les chercheurs ont développé une synapse artificielle qui transmet efficacement les informations en utilisant de l’eau et des ions, comme les synapses de notre cerveau. Il s’agit de la première preuve expérimentale d’un concept de systèmes informatiques dits « neuromorphiques iontroniques », visant à améliorer l’efficacité énergétique des ordinateurs conventionnels.
Dans le but d’améliorer l’efficacité énergétique des ordinateurs, les recherches se concentrent désormais sur l’informatique neuromorphique, imitant, comme son nom l’indique, le traitement de l’information par le cerveau. Ce type de système s’écarte du traitement binaire traditionnel, entre autres, en utilisant une méthode analogique proche de celle du cerveau. Cet objectif est devenu primordial en raison de l’augmentation exponentielle de la consommation d’énergie des ordinateurs à mesure que de nouvelles technologies (telles que la blockchain et l’IA) émergent.
Parmi les technologies explorées dans ce sens figurent les memristors, des composants électroniques passifs qui limitent le flux d’électricité dans un circuit. Ils peuvent conserver la mémoire sans être branchés sur une alimentation électrique et mémoriser les impulsions électriques qui les traversent même lorsqu’ils sont désactivés (ou éteints). Ils pourraient ainsi constituer des analogues artificiels prometteurs des synapses biologiques. Ceux-ci transportent les signaux nerveux d’un neurone à un autre via des neurotransmetteurs ioniques.
Cependant, ces dispositifs présentaient jusqu’à présent des limites importantes du fait de leur structure essentiellement composée de semi-conducteurs. Cela implique qu’elles ne peuvent transporter que des informations électriques, contrairement aux synapses, qui peuvent transporter à la fois des signaux électriques et chimiques (neurotransmetteurs). D’un autre côté, contrairement aux synapses qui fonctionnent dans des environnements aqueux avec une large gamme de neurotransmetteurs, les memristors conventionnels sont considérablement limités dans les environnements dans lesquels ils peuvent être utilisés.
Afin de surmonter ces limitations, des chercheurs de l’Université d’Utrecht (aux Pays-Bas) et de Sogang (en Corée du Sud) proposent un nouveau concept d’ordinateur neuromorphique iontronique. Ce système s’inspire non seulement de l’architecture des synapses, mais aussi des milieux aqueux dans lesquels elles baignent pour transporter les signaux nerveux. Les dispositifs iontroniques utilisent des ions se déplaçant dans un liquide pour transporter des informations, offrant potentiellement les mêmes performances et plasticité que les synapses naturelles.
” Cela représente une avancée cruciale vers des ordinateurs capables non seulement d’imiter les modes de communication du cerveau humain, mais également d’utiliser le même support. », explique l’auteur principal de la recherche, Tim Kamsma, dans un communiqué de presse de l’Université d’Utrecht.
Représentation graphique de la synapse artificielle développée dans le cadre de la nouvelle étude. La synapse (cerclée en violet) est constituée de sphères colloïdales reliées par des nano-canaux. © Université d’Utrecht
Reproduction efficace du comportement des synapses biologiques
Les memristors iontroniques pourraient constituer des supports d’informations polyvalents, pouvant être régulés chimiquement de manière contrôlée. Une étude récente suggère en outre qu’en imitant fidèlement les synapses naturelles, elles pourraient potentiellement être intégrées dans des systèmes biologiques.
Bien que plusieurs dispositifs de ce type aient été proposés par le passé, les démonstrations expérimentales restent limitées. Les chercheurs de la nouvelle étude proposent un appareil plus stable, capable de transporter des informations sur de longues périodes, lui permettant de s’adapter plus facilement aux systèmes informatiques. ” Bien qu’il existe déjà des synapses artificielles capables de traiter des informations complexes basées sur des matériaux solides, nous montrons maintenant pour la première fois que cet exploit peut également être accompli en utilisant de l’eau et du sel. [des ions] », explique Kamsma.
L’appareil, décrit dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences, consiste en un minuscule appareil mesurant 200 micromètres de long et 150 micromètres de large. Il comprend un microcanal en forme de cône rempli d’une solution ionique. La synapse est constituée de sphères colloïdales reliées par des nano-canaux. En induisant une impulsion électrique dans le système, les ions migrent à travers le canal, provoquant ainsi une modification de la concentration ionique de la solution.
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Image microscopique de la synapse artificielle. © Tim Kamsma et coll.
” Nous reproduisons efficacement le comportement neuronal en utilisant un système qui utilise le même environnement que le cerveau », dit Kamsma. En effet, la conductivité du canal varie parallèlement à la concentration ionique de la solution, mimant ainsi les variations de connectivité entre synapses naturelles. Selon les experts, l’ampleur de ce changement de conductivité refléterait la nature de l’impulsion électrique transportée.
De plus, la longueur du canal influence le temps nécessaire aux ions pour migrer de la solution. ” Ceci suggère la possibilité d’adapter les canaux pour conserver et traiter les informations pendant des durées variables, similaires aux mécanismes synaptiques observés dans notre cerveau. », explique l’expert.
Cependant, malgré ces progrès, l’informatique neuromorphique iontronique en est encore à ses balbutiements. Bien qu’il soit suggéré que ce type de technologie pourrait réduire considérablement la consommation électrique des ordinateurs, les possibilités d’application restent largement spéculatives, du moins pour le moment. Néanmoins, « nos résultats représentent une étape importante vers la réalisation de la promesse des canaux ioniques fluidiques en tant que plate-forme pour imiter la riche dynamique aqueuse du cerveau », concluent Kamsma et ses collègues dans leur article.
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