Un chip de molibdeno integra visión, memoria y cálculo y abre una vía hacia ojos biónicos
Un equipo de la Universidad RMIT ha desarrollado un prototipo de visión neuromórfica capaz de detectar, almacenar y procesar información en el propio sensor. La arquitectura reduce el movimiento de datos característico de los sistemas convencionales y podría aplicarse, además de a futuras prótesis visuales, en robótica, vehículos autónomos y dispositivos de inteligencia artificial.
Investigadores de la Universidad RMIT, en Australia, han presentado un sistema de visión neuromórfica que reúne en un mismo dispositivo funciones que normalmente se distribuyen entre el sensor de imagen, la memoria y el procesador. El prototipo puede identificar números, formas y movimiento, conservar información sobre los cambios observados y procesarla localmente, una aproximación inspirada en el funcionamiento conjunto del ojo y el cerebro humanos.
El elemento central es un chip de 2 × 2 centímetros basado en disulfuro de molibdeno (MoS₂), un semiconductor bidimensional cuyo espesor puede reducirse hasta una sola capa atómica. El chip se encuentra integrado en un prototipo de 15 × 14 × 3 centímetros que incorpora la electrónica necesaria para leer, procesar y comunicar los resultados.
En una cámara convencional, el sensor captura sucesivas imágenes completas y transmite un volumen considerable de datos hacia unidades separadas de memoria y cálculo. La propuesta de RMIT busca procesar la información cerca del punto en el que se genera. En lugar de registrar indiscriminadamente cada fotograma, el dispositivo puede responder a variaciones significativas de la escena y convertirlas en señales similares a los impulsos utilizados por las redes neuronales de picos.
Esta arquitectura aborda uno de los principales cuellos de botella de los sistemas de inteligencia artificial: el coste energético y temporal de trasladar datos continuamente entre sensores, memoria y procesadores. No obstante, los investigadores todavía no han publicado una comparación del consumo total del prototipo frente a una plataforma convencional equivalente. La ventaja energética debe entenderse, por ahora, como el potencial de la arquitectura y no como una mejora cuantificada a escala de sistema.
Reproducir el funcionamiento de una neurona artificial
El comportamiento neuromórfico se apoya en la respuesta fotoeléctrica del MoS₂. Cuando el material recibe luz, su corriente aumenta progresivamente; al desaparecer la iluminación, disminuye siguiendo una curva de decaimiento. Los investigadores han utilizado este fenómeno para reproducir el funcionamiento de una neurona artificial de tipo leaky integrate-and-fire, que acumula estímulos, genera un pulso cuando alcanza un umbral y posteriormente vuelve a su estado inicial.
Los parámetros experimentales del dispositivo se incorporaron a una red neuronal de picos para realizar tareas de visión estática y dinámica. En los ensayos descritos por el equipo, el modelo alcanzó una precisión del 75 % con imágenes estáticas y del 80 % con secuencias dinámicas. Estos resultados demuestran la viabilidad del principio físico, aunque todavía se encuentran lejos de las prestaciones y la integración necesarias para un sistema visual implantable.
Una parte relevante del avance está en la fabricación. La integración a gran escala de semiconductores bidimensionales suele verse limitada por los residuos de polímeros, las arrugas y los huecos que aparecen al transferir capas de espesor atómico. La fotolitografía empleada para formar los contactos también puede deteriorar la superficie del semiconductor y aumentar la variabilidad entre dispositivos.
El equipo de RMIT ha desarrollado un proceso acuoso basado en alcohol polivinílico, o PVA, al que incorpora una proporción controlada de alcohol isopropílico. El método mejora la humectación durante la transferencia y reduce la formación de defectos. También permite colocar electrodos de oro previamente definidos sobre el MoS₂ mediante contactos de van der Waals, evitando que el canal semiconductor quede expuesto directamente a la fotolitografía y a la deposición metálica.
Efectividad bajo iluminación débil
Los fotodetectores fabricados de esta forma alcanzaron una movilidad de portadores de 6,27 ± 2,74 centímetros cuadrados por voltio y segundo. Bajo iluminación débil, su responsividad y detectividad superaron en más de dos órdenes de magnitud las obtenidas con dispositivos transferidos mediante el polímero PMMA utilizado habitualmente. Esta mejora corresponde al fotodetector y no implica que el prototipo completo consuma cien veces menos energía.
RMIT ha presentado una solicitud internacional de patente mediante el Tratado de Cooperación en materia de Patentes. Antes de plantear una aplicación clínica deberán resolverse, entre otras cuestiones, la fabricación uniforme de matrices con un número elevado de píxeles, el encapsulado, la estabilidad a largo plazo, la conexión con el sistema nervioso y la biocompatibilidad. También serán necesarias pruebas preclínicas y clínicas que el proyecto aún no ha iniciado.
Por ello, el resultado no constituye todavía un ojo biónico funcional. Su aportación inmediata se encuentra en demostrar que un semiconductor de espesor atómico puede participar simultáneamente en la percepción y el procesamiento neuromórfico, mientras un nuevo método de fabricación mejora la calidad de sus interfaces. A más corto plazo, la tecnología podría encontrar aplicaciones en sensores inteligentes, robots y vehículos autónomos que necesiten reaccionar con rapidez y operar con recursos energéticos y computacionales limitados.
