L'efficienza energetica del cervello umano rappresenta da sempre un enigma affascinante per gli scienziati: mentre il nostro sistema nervoso elabora quantità enormi di informazioni utilizzando appena 20 watt di potenza, un modello di intelligenza artificiale come ChatGPT può richiedere oltre un megawatt per svolgere compiti analoghi. Questa disparità ha spinto i ricercatori dell'Università del Massachusetts ad Amherst a cercare soluzioni innovative, portando alla creazione di un neurone artificiale che riproduce con precisione l'attività elettrica delle cellule cerebrali naturali. Il risultato, pubblicato su Nature Communications, potrebbe rivoluzionare il modo in cui concepiamo l'informatica del futuro.
La chiave di questa innovazione risiede in un ingrediente inaspettato: nanofili proteici derivati dal Geobacter sulfurreducens, un batterio dotato della straordinaria capacità di produrre elettricità. Jun Yao, professore associato di ingegneria elettrica e informatica e autore senior dello studio, ha spiegato che il nuovo dispositivo funziona a soli 0,1 volt, esattamente come i neuroni presenti nel corpo umano. Questo rappresenta un salto qualitativo notevole rispetto alle versioni precedenti di neuroni artificiali, che richiedevano tensioni dieci volte superiori e consumavano cento volte più energia.
Il corpo umano opera con un'efficienza elettrica straordinaria, superiore di oltre cento volte rispetto a quella di un tipico circuito informatico. Il cervello da solo contiene miliardi di neuroni, cellule specializzate che trasmettono segnali elettrici attraverso tutto l'organismo. La sfida principale affrontata dagli ingegneri nel corso degli anni è stata proprio quella di ridurre il voltaggio dei dispositivi artificiali fino a raggiungere livelli biologicamente compatibili, un ostacolo che aveva finora impedito qualsiasi connessione diretta con il tessuto vivente.
Shuai Fu, studente di dottorato in ingegneria elettrica e informatica e primo autore dello studio, ha sottolineato come il cervello elabori una quantità enorme di dati con un consumo energetico estremamente ridotto. Questa caratteristica ha ispirato il team a sviluppare un approccio completamente nuovo, basato su materiali biologici che possono interfacciarsi direttamente con i sistemi viventi. Le applicazioni potenziali spaziano dalla riprogettazione dei computer secondo principi bio-ispirati, molto più efficienti, fino alla creazione di dispositivi elettronici capaci di comunicare direttamente con il nostro organismo.
I sistemi di sensori indossabili attualmente disponibili presentano notevoli limitazioni in termini di efficienza e ingombro. Ogni volta che rilevano un segnale dal corpo umano, devono amplificarlo elettricamente affinché un computer possa analizzarlo, come ha spiegato Yao. Questo passaggio intermedio aumenta sia il consumo energetico sia la complessità del circuito, ma i sensori costruiti con i neuroni a basso voltaggio sviluppati dal team potrebbero eliminare completamente la necessità di amplificazione.
Il Geobacter sulfurreducens si è rivelato una risorsa preziosa per il laboratorio di Yao, che insieme ai suoi colleghi ha utilizzato i nanofili proteici del batterio per progettare una serie di dispositivi dall'efficienza straordinaria. Tra questi figurano un biofilm alimentato dal sudore capace di ricaricare dispositivi elettronici personali, un "naso elettronico" in grado di rilevare malattie e persino un dispositivo che può essere costruito praticamente con qualsiasi materiale e che raccoglie elettricità direttamente dall'aria circostante.
La ricerca ha ricevuto il sostegno dell'Army Research Office, della National Science Foundation statunitense, dei National Institutes of Health e della Alfred P. Sloan Foundation. Il lavoro rappresenta un passo significativo verso la creazione di computer biocompatibili che potrebbero non solo operare con l'efficienza dei sistemi viventi, ma anche stabilire connessioni dirette con il tessuto biologico, aprendo scenari inediti nel campo della medicina e dell'elettronica indossabile.
