Eletrônica

Cão de Pavlov eletrônico: computadores podem aprender

Os cientistas conseguiram ensinar os circuitos eletrônicos a memorizar reações. [Imagem: Hermann Kohlstedt]

Comportamento eletrônico

Os experimentos com cães do russo Ivan Pavlov estão para a psicologia assim como o lendário "experimento" de Newton com a maçã está para a física.

Até o início do século 20, a ciência assumia que os seres vivos agiam seguindo alguns reflexos instintivos inatos. Mas`Pavlov demonstrou que era possível gerar reações sem o estímulo físico característico.

Ao tocar um sino antes de alimentar os cães, ele demonstrou que, após algum tempo, os cães salivavam apenas ao ouvir o toque da sineta, sem que houvesse nenhuma comida por perto.

A história parece estar se repetindo no campo da eletrônica.

Até há pouco tempo, considerava-se que os componentes eletrônicos, que formam os computadores e toda a parafernália tecnológica com a qual estamos acostumados, "agiam" apenas segundo a corrente elétrica que passava por eles.

Isso começou a mudar com a criação do memristor, uma memória resistiva, que se "lembra" da corrente elétrica que a percorreu anteriormente - por isso apelidado de "sinapse artificial".

Agora, cientistas da Universidade de Kiel, na Alemanha, construíram uma versão eletrônica do cão de Pavlov: essencialmente, um circuito que "aprende pela experiência".

"Nós usamos memristores a fim de imitar o comportamento associativo do cão de Pavlov na forma de um circuito eletrônico," resume o professor Hermann Kohlstedt, coordenador da equipe.

Aprendizado de máquina

Essencialmente, este experimento está para a computação assim como o experimento de Pavlov está para o comportamento humano, ou Newton e a maçã estão para a física.

Ocorre que as informações digitais e as informações biológicas são processadas seguindo princípios fundamentalmente diferentes.

É por isso que é tão difícil ensinar as coisas aos computadores e aos robôs: eles simplesmente não aprendem pela experiência.

Isso força os humanos a escrevem programas exaustivamente extensos, que devem prever cada situação que o equipamento irá encontrar, em detalhes, dizendo como ele deverá agir em resposta a cada uma dessas situações. Quando alguma coisa sai fora do script, o programa trava ou é encerrado abruptamente.

Assim, estamos longe de podermos`falar sobre "processos cognitivos" de um computador ou de um robô.

A replicação do cão de Pavlov em escala eletrônica pode mudar tudo isso ao abrir, pela primeira vez, a possibilidade de se projetar circuitos eletrônicos que imitem o aprendizado animal.

Cognição eletrônica

Enquanto um resistor "reage" à corrente elétrica simplesmente impondo uma resistência à sua passagem, o memristor consegue se "lembrar" da última corrente que passou por ele porque ele altera sua própria resistência a cada passagem da energia.

Há tempos os cientistas sonham em usar esse efeito memória para criar circuitos similares às conexões existentes entre as sinapses cerebrais.

"No longo prazo, nosso objetivo é transferir a plasticidade sináptica para os circuitos eletrônicos. Nós poderemos até mesmo recriar eletronicamente as habilidades cognitivas," confirma Kohlstedt.

E o experimento do "co de Pavlov eletrônico" é um marco no caminho em direção a esse objetivo.

O circuito eletrônico apresenta o comportamento clássico do condicionamento observado no campo da psicologia. [Imagem: Advanced Functional Materials]

Cão de Pavlov eletrônico

O experimento do cão de Pavlov eletrônico consistiu no seguinte: dois impulsos elétricos foram interligados a um comparador através de um memristor. Os dois impulsos representam a comida e o sino no experimento de Pavlov.

Um comparador é um dispositivo que compara duas tensões ou correntes e gera uma saída quando se atinge um determinado nível. Neste caso, quando o valor limite é atingido, o comparador produz o sinal de saída, representando a salivação do cão eletrônico.

Além disso, o elemento memristivo tem sua própria tensão limite, que é definida por propriedades físico-químicas estabelecidas na sua fabricação. Abaixo desse valor limite, o memresistor comporta-se como qualquer resistor comum. Acima do limite, surge seu efeito memória, mudando sua resistncia.

Ao aplicar os dois impulsos elétricos simultaneamente, supera-se a tensão limite do memresistor, ativando-se sua memória.

Múltiplas repetições levam a um processo de aprendizado associativo no circuito - exatamente como no cão de Pavlov.

"Desse momento em diante, nós precisamos apenas aplicar o impulso elétrico 2 (equivalente ao sino) para que o comparador gere um sinal, equivalente à salivação," explica Martin Ziegler, responsável pelo experimento.

O impulso elétrico 1 (o alimento) continua produzindo a mesma reação que já produzia antes do aprendizado. Afinal, o cão sempre saliva na presença do alimento real.

Assim, o circuito eletrônico apresenta o comportamento clássico do condicionamento observado no campo da psicologia.

E, como se aprendel também se desaprende. Se o sino for tocado seguidamente sem que o cão receba comida, o`condicionamento será rompido - no cão de Pavlov eletrônico, a não aplicação dos dois impulsos simultaneamente leva à perda do aprendizado do circuito eletrônico.

Computadores que aprendem

O que os pesquisadores planejam agora é construir comportamentos mais complexos, criando módulos de uma rede neural em hardware que de fato aprenda com os impulsos que receber.

Segundo eles, uma primeira aplicação prática estaria no reconhecimento de padrões, algo muito difícil de programar nos computadores atuais.

Mas, no longo prazo, a esperada criação de habilidades cognitivas em circuitos eletrônicos poderão criar computadores que não serão avaliados mais apenas pela velocidade com que conseguem realizar cálculos, mas pela sua capacidade de aprendizado.

O memristor, o componente eletrônico com memória, foi teorizado pelo cientista Leon Chua, em 1971.

Mas o primeiro memristor prático só foi construído em 2005, nos laboratórios da HP, e os cientistas conseguiram entender realmente seu funcionamento apenas no ano passado:

Também no ano passado, a IBM apresentou seus primeiros processadores cognitivos, mas trata-se de uma arquitetura que ainda não tira proveito dos`memristores.

O primeiro processador realmente baseado em memristores foi construído por Robinson Pino e seus colegas da pouco conhecida Universidade de Boise, nos Estados Unidos:

    Bibliografia:

An Electronic Version of Pavlov's Dog
Martin Ziegler, Rohit Soni, Timo Patelczyk, Marina Ignatov, Thorsten Bartsch, Paul Meuffels, Hermann Kohlstedt
Advanced Functional Materials
Vol.: Early View
DOI: 10.1002/adfm.201200244

Memristores de silício prometem memórias mais inteligentes

A nova memória resistiva (ReRAM) é baseada em memristores, componentes eletrônicos que conseguem se lembrar da última corrente que os atravessou, imitando as sinapses cerebrais.[Imagem: UCL/Adnan Mehonic]

Memória de silício

Poucos dias depois de um experimento histórico, quando cientistas demonstraram que um novo componente eletrônico pode permitir a construção de computadores que aprendem, os memristores voltam às manchetes, agora ainda com mais força.

Uma equipe da Universidade College London, no Reino Unido, conseguiu fabricar um tipo específico de memristor usando apenas óxido de silício, o material mais comum da eletrônica.

A resistência de um memristor depende da última corrente elétrica que passou por ele.

Essa capacidade de "lembrança" permite que o componente imite as sinapses cerebrais, eventualmente levando à construção dos processadores cognitivos, capazes de aprender.

Descoberta por acaso

A descoberta foi feita por acaso, quando Adnan Mehonic estava tentando construir LEDs de silício, mas o material parecia instável demais.

Em um dos experimentos, os átomos de silício se alinharam, formando filamentos de no interior do óxido, que possui uma resistência elétrica maior do que o elemento puro.

Mehonic então descobriu que o material não era instável, ele simplesmente alternava entre comportamentos condutores e não-condutores de forma muito previsível.

A presença ou ausência dos nanofios de silício funcionava como uma "chave" entre os níveis de maior e de menor resistência.

Assim, embora seja tecnicamente uma memória resistiva, e não o que se poderia chamar de um "memristor autêntico", o novo componente apresenta um comportamento memresistivo.

Isto é particularmente interessante porque os memristores fabricados até agora dependem de óxidos de vários elementos, incluindo titânio, selênio e germânio.

Fabricá-los apenas com silício seria muito mais fácil, barato e rápido.

Resistência variável

Já não mais por acaso, a equipe trabalhou então para fabricar protótipos do material sólido com resistência continuamente variável, configurando então o comportamento de memristor em sua memória resistiva.

Embora não seja tão rápida quanto as memórias DRAM, uma memória resistiva ou ReRAM, supera as memórias flash, já que também é não volátil, ou seja, não perde dados na ausência de energia.

"O fato de que o componente pode operar em condições ambiente e tem uma resistência continuamente variável abre possibilidades enormes de aplicação. Nós também estamos trabalhando na construção de um componente de quartzo, para o desenvolvimento de circuitos eletrônicos transparentes," disse Tony Kenyon, coordenador da pesquisa.

"Durante o desenvolvimento da prova do conceito nós demonstramos que é possível programar os chips usando o ciclo entre dois ou mais estados de condutividade. O potencial para esse material é gigantesco," concluiu Mehonic.

Bibliografia:

Resistive switching in silicon suboxide films
Adnan Mehonic, Sébastien Cueff, Maciej Wojdak, Stephen Hudziak, Olivier Jambois, Christophe Labbé, Blas Garrido, Richard Rizk, Anthony J. Kenyon
Journal of Applied Physics
Vol.: 10.1063/1.3701581
DOI: 10.1063/1.3701581

Olho biônico a laser usa retina artificial de células solares

Esta retina artificial está sendo desenvolvida para pacientes que tenham perdido a visão por doenças degenerativas da retina, como degeneração macular e retinitis pigmentosa. [Imagem: Mathieson et al./Nature Photonics]

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Cientistas implantaram minúsculos dispositivos, semelhantes a células solares, por trás da retina de animais de laboratório, criando uma nova espécie de retina artificial.

A expectativa é que, em um futuro próximo, a nova prótese - também conhecida como olho biônico - possa restaurar a visão de pessoas que não podem enxergar devido a doenças oculares degenerativas.

Projetor a laser

O projeto da retina artificial inclui um par de óculos que possui uma câmera de vídeo e uma espécie inovadora de projetor, além de um microcomputador de bolso, do tamanho de um celular, para processar os sinais.

Ao contrário das telas pessoais, já disponíveis em óculos para videogames, o novo projetor dispara os pixels da imagem captada pela câmera usando um laser de pulsos infravermelhos.

Os pulsos de laser são captados pelas "células solares" implantadas na retina.

Esses pequenos sensores de luz são montados sobre um chip muito fino, com a espessura de um fio de cabelo, que se encarrega de enviar os sinais captados usando as terminações nervosas do próprio olho.

O sistema foi testado em laboratório e implantado experimentalmente nos olhos de ratos e porcos, gerando as respostas elétricas previstas na retina, um indicador de atividade visual.

Olho biônico wireless

"Ela funciona como os painéis solares no teto da sua casa, convertendo luz em corrente elétrica," disse Daniel Palanker, médico oftalmologista da Universidade de Stanford, um dos criadores do novo dispositivo. "A diferença é que, em vez de a eletricidade ser usada para aquecer a água, ela flui para a retina."

Existem diversos tipos de retina artificial em desenvolvimento, pelo menos duas das quais já em testes clínicos em humanos.

Detalhe da "célula solar" que detecta a luz do laser (embaixo à esquerda). Ao centro, o chip completo, com os diversos "pixels" para formar a imagem. No detalhe à direita, a retina artificial já implanta no olho de uma cobaia. [Imagem: Stanford Med.]

A novidade deste novo projeto é que ele dispensa os sistemas de alimentação e transmissão de dados, que também devem ser implantados no interior do olho.

Ao usar laser infravermelho para transmitir as informações, o novo olho biônico elimina a necessidade de fios e bobinas, tornando o aparelho menor e mais simples de ser implantado em uma cirurgia.

Bioeletrônico

Os cientistas agora estão efetuando experimentos fisiológicos e de comportamento com os animais, para aferir a magnitude do ganho visual`obtido, em preparação para a realização de testes em humanos.

Esta retina artificial está sendo desenvolvida para pacientes que tenham perdido a visão por doenças degenerativas da retina, como degeneração macular e retinitis pigmentosa.

Nessas doenças, as células fotorreceptoras da retina se degeneram, mas os neurônios que transmitem os sinais para o cérebro continuam intactos - e esses neurônios são necessários para transmitir para o cérebro os dados captados pelo chip implantado no olho.

Os fotorreceptores perdidos são substituídos pelos diodos fotossensíveis do chip, daí a comparação que os cientistas fazem do sensor com as células solares.

Como os demais implantes em testes, esse olho biônico, mesmo quando totalmente pronto para ser usado em humanos, não conseguirá gerar imagens em cores.

Bibliografia:

Photovoltaic retinal prosthesis with high pixel density
Keith Mathieson, James Loudin, Georges Goetz, Philip Huie, Lele Wang, Theodore I. Kamins, Ludwig Galambos, Richard Smith, James S. Harris, Alexander Sher, Daniel Palanker
Nature Photonics
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nphoton.2012.104