Uma visão artificial que faz tudo: Vê, processa e armazena

Memoristor sensível à luz

Nas câmeras digitais, a informação óptica é capturada por um sensor chamado CCD – que na verdade é uma matriz de milhões de sensores individuais, ou píxeis captadores de luz – e então processada, eventualmente usando algoritmos de inteligência artificial, como nos sistemas de visão artificial usados na indústria ou na robótica.

Neste cenário, uma grande quantidade de dados – a maioria redundante – deve ser transferida de um sensor autônomo para as unidades de processamento, o que leva tempo – e perder tempo na visão significa perder quadros importantes para o acompanhamento preciso da cena.

Para resolver este problema, muito esforço tem sido dedicado ao desenvolvimento de uma abordagem mais eficiente, na qual algumas das tarefas computacionais e de memória possam ser feitas nos próprios elementos sensores, que possam detectar e processar o sinal óptico simultaneamente, economizando todo o tempo necessário para sua transferência e manipulação pelo processador.

Xiao Fu e seus colegas do Instituto de Ciências Avançadas Hangzhou, na China, encontraram uma nova forma de fazer isto usando os memoristores, componentes eletrônicos que podem guardar e processar dados, e que por isso estão na base da maioria dos esforços de computação neuromórfica, que tenta imitar o cérebro.

Foto do componente real.
[Imagem: Xiao Fu et al. – 10.1038/s41377-023-01079-5]

Fotomemoristor

Fu desenvolveu um “fotomemoristor”, no qual a resposta à luz pode ser modulada pela carga e/ou pelo fluxo de fótons que chega até ele.

E essa informação pode ser armazenada no próprio componente, porque ele é não volátil, ou seja, não perde o dado quando a energia é desligada, tudo em uma arquitetura simples de dois terminais.

Esse fotomemoristor permitiu pela primeira vez implementar uma lógica computacional completa, e com a vantagem de que a fotorresposta opera como uma variável de estado físico, resultado do acoplamento dos elétrons excitados pela luz e por íons associados ao oxigênio no material – em vez de luz, tensão ou memorresistência.

“Nós projetamos um componente de dois terminais com MoS₂-xOx e grafeno específico para três propósitos em um: (1) fornecer barreira de energia baixa para a migração dos íons de oxigênio; (2) funcionar como uma heteroestrutura geometricamente assimétrica metal-semicondutor-metal de van der Waals com estados multifotorresponsivos; e (3) como uma extensão de um memoristor, este dispositivo não só fornece condutância ajustável, mas também apresenta fotorresposta reconfigurável para leitura em voltagem de polarização zero,” escreveu a equipe.

O conceito, a implementação e o princípio de funcionamento da visão artificial neuromórfica.
[Imagem: Xiao Fu et al. – 10.1038/s41377-023-01079-5]

Visão artificial neuromórfica

Essas características tornam o componente ideal para implementar sistemas de visão artificial neuromórfica, e isto em dispositivos integrados, do tipo tudo-em-um.

Por exemplo, usando esse componente para projetar arquiteturas específicas que imitem as funcionalidades biológicas da retina humana, torna-se possível criar dispositivos que funcionem como rede neural para processamento visual neuromórfico e implementação de operações lógicas, e isso tanto com entrada de sinais elétricos quanto sinais de luz, ou ambos conjuntamente.

“Este novo conceito de um fotomemoristor de dois terminais não apenas permite abordagens de computação sensoriamento-memória-computação tudo-em-um para hardware de visão neuromórfica, mas também traz grande conveniência para uma integração de alta densidade,” escreveu a equipe.