Gli ingegneri della Northwestern University nell’Illinois, negli Stati Uniti, hanno raggiunto una pietra miliare nella ricerca sull’hardware dell’intelligenza artificiale: hanno stampato neuroni artificiali in grado di comunicare direttamente con le cellule cerebrali viventi. Questa svolta, pubblicata il 15 aprile sulla rivista Nature Nanotechnology, apre la strada verso interfacce cervello-macchina che funzionano in modo più naturale con il sistema nervoso umano ā e verso sistemi informatici che consumano molta meno energia rispetto ai data center di oggi.
Il problema che guida questa ricerca
I moderni sistemi di intelligenza artificiale sono potenti, ma sono straordinariamente affamati di energia. Lāaddestramento di modelli linguistici di grandi dimensioni e lāesecuzione di inferenze su larga scala richiedono data center che assorbano gigawatt di elettricitĆ . Mark Hersam, professore di scienza dei materiali alla Northwestern University che ha condotto lo studio, ha descritto chiaramente la portata della sfida: le tendenze attuali puntano verso data center di prossima generazione che richiederebbero centrali nucleari dedicate per funzionare. Oltre allāelettricitĆ , i data center fanno affidamento su enormi volumi di acqua per il raffreddamento, creando ulteriore stress alle riserve idriche giĆ scarse.
Il nostro cervello, al contrario, funziona con circa 20 watt, circa la stessa potenza di una lampadina fioca. Hersam e il suo team sostengono che il cervello ĆØ cinque ordini di grandezza più efficiente dal punto di vista energetico rispetto a un computer digitale, rendendo lāarchitettura neurale biologica il modello più convincente per lāhardware informatico di prossima generazione.
Come funzionano i neuroni stampati
Il team ha costruito i propri neuroni artificiali utilizzando un processo chiamato stampa a getto di aerosol, che deposita strati di inchiostro elettronico su un substrato polimerico flessibile. Lāinchiostro contiene due materiali chiave: scaglie su scala nanometrica di bisolfuro di molibdeno, che funge da semiconduttore, e grafene, che funge da conduttore elettrico. Insieme, questi materiali formano un dispositivo noto come rete memristiva di nanofogli, una struttura la cui resistenza elettrica cambia in base allāattivitĆ passata, proprio come una sinapsi biologica si rafforza o si indebolisce con lāuso ripetuto.

Unāintuizione fondamentale ĆØ arrivata da una fonte inaspettata: il polimero stabilizzante che i ricercatori in genere bruciano dopo la stampa. Il team della Northwestern ha scoperto che decomponendo solo parzialmente il polimero anzichĆ© rimuoverlo completamente, era possibile introdurre imperfezioni controllate nel materiale stampato. Queste imperfezioni creano uno stretto canale conduttivo attraverso il quale la corrente elettrica si concentra. Quando la corrente passa attraverso quel canale, il dispositivo si accende e si spegne rapidamente, generando forti picchi di tensione.
Quei picchi di tensione assomigliano molto ai potenziali dāazione ā gli impulsi elettrici ā che i neuroni reali producono quando si attivano. Fondamentalmente, i dispositivi non generano semplicemente un impulso on-off uniforme. Producono una ricca varietĆ di schemi di attivazione, inclusi picchi isolati, esplosioni prolungate e oscillazioni ritmiche, che corrispondono alla diversitĆ comportamentale mostrata dai neuroni biologici e che consente al cervello di codificare le informazioni con notevole efficienza.
Comunicare con i tessuti viventi
Per verificare se i neuroni artificiali potessero fare di più che somigliare semplicemente a segnali biologici, i ricercatori hanno collaborato con la professoressa di neurobiologia della Northwestern Indira Raman. Il team ha collegato i propri dispositivi stampati a fette di cervelletto di topo ā la regione del cervello che governa la coordinazione motoria ā e ha inviato segnali al tessuto vivente.
I neuroni biologici hanno risposto. I neuroni artificiali hanno prodotto segnali con la forma e i tempi corretti per attivare veri e propri circuiti neurali nel tessuto, dimostrando un livello di biocompatibilitĆ che i precedenti dispositivi neuromorfici non avevano raggiunto.
“Puoi vedere i neuroni viventi rispondere al nostro neurone artificiale”, ha detto Hersam. “Quindi, abbiamo dimostrato segnali che non solo hanno la giusta scala temporale ma anche la giusta forma di picco per interagire direttamente con i neuroni viventi.”
Il gruppo di ricerca ha ottenuto questi risultati utilizzando solo due neuroni stampati combinati con componenti circuitali di base, in netto contrasto con i chip neuromorfici convenzionali che richiedono milioni di neuroni artificiali uniformi per ottenere funzionalitĆ anche modeste.
Implicazioni per le interfacce cervello-macchina
La capacitĆ di comunicare direttamente con il tessuto neurale vivente comporta un potenziale significativo per la tecnologia medica. Le neuroprotesi ā dispositivi che ripristinano la funzione sensoriale o motoria perduta ā si trovano attualmente ad affrontare una limitazione fondamentale: gli elettrodi rigidi di silicio stimolano i neuroni in un modo rozzo e impreciso che il cervello non tollera bene nel tempo. Un dispositivo flessibile e stampato in grado di generare segnali biologicamente accurati potrebbe migliorare le prestazioni e la longevitĆ degli impianti progettati per ripristinare lāudito, la vista o il movimento.
La flessibilitĆ del substrato stampato ĆØ importante anche per l’impianto pratico. Lāelettronica rigida appoggiata al tessuto cerebrale morbido e in movimento causa stress meccanico e infiammazione nel tempo. Dispositivi morbidi e flessibili come quelli sviluppati dal team della Northwestern si muovono con il tessuto, riducendo potenzialmente i danni a lungo termine.
Una strada più lunga verso lāintelligenza artificiale efficiente dal punto di vista energetico
Lāapplicazione più distante, ma potenzialmente trasformativa, ĆØ lāhardware di intelligenza artificiale ad alta efficienza energetica. Gli attuali chip di silicio raggiungono la complessitĆ computazionale assemblando insieme miliardi di transistor identici. Il cervello raggiunge unāefficienza molto maggiore attraverso la diversitĆ : diversi tipi di neuroni con diversi comportamenti di attivazione lavorano insieme, consentendo al sistema di codificare ed elaborare le informazioni utilizzando molti meno componenti totali.
Il team di Hersam ha dimostrato che il loro approccio di fabbricazione può produrre neuroni artificiali con comportamenti di attivazione vari e complessi da un unico processo stampabile. Questa tecnica non richiede gli impianti di fabbricazione di semiconduttori costosi e altamente controllati richiesti dai chip di silicio. Utilizzando materiali morbidi e metodi di stampa, i ricercatori hanno prodotto dispositivi che si avvicinano alla ricchezza comportamentale dei neuroni biologici a una frazione della complessità di produzione.
“Il silicio raggiunge la complessitĆ avendo miliardi di dispositivi identici”, ha affermato Hersam. “Tutto ĆØ uguale, rigido e fisso una volta fabbricato. Il cervello ĆØ l’opposto. Ć eterogeneo, dinamico e tridimensionale. Per muoverci in quella direzione, abbiamo bisogno di nuovi materiali e nuovi modi di costruire l’elettronica.”
I ricercatori avvertono che tradurre la dimostrazione di laboratorio in hardware informatico pratico richiederà anni di ulteriore sviluppo. Il percorso da un dispositivo promettente a un chip producibile che i data center possano adottare è lungo e incerto. Tuttavia lo studio stabilisce una prova di concetto: materiali stampati e flessibili possono produrre il tipo di segnali neurali diversi e biologicamente realistici che richiederanno un hardware AI più efficiente.
Contesto all’interno di un cambiamento più ampio
La svolta della Northwestern arriva in un momento in cui lāindustria dellāintelligenza artificiale ĆØ alle prese seriamente con i costi energetici del continuo ridimensionamento. Gli approcci concorrenti per un hardware AI più efficiente includono chip fotonici che utilizzano la luce invece dellāelettricitĆ , processori di inferenza specializzati e una gamma di progetti neuromorfici di aziende come Intel e IBM. Lāapproccio del neurone stampato si distingue per lāuso di materiali morbidi e flessibili e per la capacitĆ dimostrata di interfacciarsi direttamente con il tessuto biologico, una combinazione che nessuna delle alternative a base di silicio può attualmente eguagliare.
Questo studio ha ricevuto il sostegno della National Science Foundation degli Stati Uniti. Il gruppo di ricerca comprendeva scienziati dei dipartimenti di scienza dei materiali, neurobiologia e ingegneria elettrica della Northwestern, riflettendo la natura intrinsecamente interdisciplinare del lavoro che si trova allāintersezione tra intelligenza artificiale, neuroscienza e nanotecnologia.
