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TECNOLOGIA

Chips que pensam

Grupo de pesquisadores cria uma rede neural eletrônica capaz de responder a estímulos em tempo real e seguir um mecanismo de atenção seletiva. Os novos neurônios de silício estão mais próximos do funcionamento do cérebro humano

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postado em 31/07/2013 16:00 / atualizado em 31/07/2013 12:36

Roberta Machado

 

 


O melhor computador do mundo ainda é aquele criado pela natureza: um conjunto de quase 100 bilhões de neurônios, com mais de 10 mil conexões sinápticas cada, formando uma complexa rede que é estudada por cientistas e copiada por pesquisadores. Inspirados nessa perfeição natural, engenheiros investem, há mais de duas décadas, em um modelo computacional que busca reproduzir a dinâmica cerebral em formato computadorizado. Esses são os chamados chips neuromórficos, verdadeiros neurônios de silício.

Embora essas peças que imitam o design cerebral já tenham registrado resultados de performance e economia energética superior aos componentes comuns, montar esse quebra-cabeça em um modelo prático ainda era tarefa complicada. Tecnicamente, essas máquinas têm performance excepcional. Mas, na prática, elas ainda têm dificuldades para lidar com mecanismos como memórias de curto prazo e tomada de decisões. O desafio de criar uma mente eletrônica foi aceito por um grupo de pesquisadores suíços, que usou o modelo neuromórfico para planejar e construir uma máquina que possa realizar atividades cognitivas complexas em tempo real.

O sistema de processamento sensorial artificial construído pelos pesquisadores da Universidade de Zurique é comparável a um cérebro humano em termos de tamanho, velocidade e até mesmo consumo de energia. A velocidade de processamento dos neurônios de silício foi diminuída para que eles seguissem o mesmo ritmo de raciocínio de animais e pudessem interagir com o ambiente de forma mais eficiente. O modelo também tem a eficiência energética da natureza, com um consumo estimado 100 mil vezes menor do que os computadores comuns.

“Um dos objetivos do nosso trabalho e da engenharia neuromórfica em geral é usar essa tecnologia como um meio para entender os princípios que formam a base da computação neural”, explica Giacomo Indiveri, professor do Instituto de Neuroinformática da Universidade de Zurique e um dos autores do trabalho. A pesquisa teve a colaboração de pesquisadores dos Estados Unidos e de outros países europeus. “Espero que o nosso trabalho possa contribuir para a tarefa de reverter a engenharia do funcionamento de um cérebro.”

Imprecisão
Chips que imitam conjuntos de neurônios já são usados desde os anos de 1990 em supercomputadores e sistemas que servem de modelo para estudos neurocientíficos, mas o desempenho desse tipo de equipamento ainda deixava a desejar, se comparado a uma mente humana. Sem a criação de um método sistemático de configuração para esse tipo de chip, os circuitos eram considerados imprecisos e pouco confiáveis.

Os pesquisadores mapearam o hardware e transferiram a informação para um modelo computacional de sub-redes compostas de neurônios artificiais. O grande feito da equipe suíça foi configurar as redes artificiais como blocos de montar, de forma que elas fossem capazes de cumprir tarefas típicas de um cérebro verdadeiro. As redes neurais eletrônicas criadas em Zurique respondem aos estímulos em tempo real. Enquanto máquinas comuns são programadas para realizar trabalhos específicos, esse modelo de processamento sensorial pode tomar decisões com base no contexto e na memória de curto prazo, assim como uma pessoa. Esta é a primeira vez que cientistas demonstram o funcionamento de um hardware de processamento neural que pode ter o comportamento determinado pelo usuário.

O método de compreensão e adaptação virtual seria o suficiente, de acordo com os engenheiros, para a criação de uma máquina neuromórfica com propriedades parecidas com as de neurônios biológicos. “Eles (os sistemas) são ideais para resolver tarefas que requerem a memorização de um contexto, como ‘estou em um ônibus ou no escritório?’, para a detecção de uma sequência de eventos no contexto, como ‘eu ouvi o nome da minha parada de ônibus’, e também tomar a atitude apropriada, como descer ou sair do local”, exemplifica Emre Neftci, um dos pesquisadores do projeto.

A sequência de raciocínio e ação pode parecer simples, mas é exatamente o tipo de trabalho natural do cérebro que não encontra suporte na lógica de uma máquina. Além de tomar ações, o novo sistema artificial também pode decidir ignorar alguns eventos, em um mecanismo conhecido como atenção seletiva. É o mesmo comportamento que mantém uma pessoa atenta somente para acontecimentos relacionados com o contexto em que se encontram. Usando novamente o exemplo do ônibus citado por Emre: é mais provável que um indivíduo perceba que falem o nome da estação em que ele sempre desce quando está sentado no ônibus do que quando está em um lugar em que a informação não é relevante, como em um escritório. A atenção seletiva evita que a máquina tome ações desnecessárias para a ocasião.

Interações reais
Para testar a tecnologia, os pesquisadores recriaram a rede do córtex visual de um gato em um modelo matemático que serviu como suporte para um sistema de computador. A máquina foi usada em um teste padrão que avalia como ela interpreta dicas visuais e as usa de acordo com um determinado contexto, em um mecanismo de atenção seletiva. As informações foram apresentadas na tela de um computador e detectadas por um sensor de silício que funciona como uma retina.

Depois de coletada, a informação visual foi simplificada por um modelo que detecta formas e padrões. Um “filtro” de atenção recebe a imagem de linhas que passam pela tela e decide quais sinais devem ser transmitidos, dependendo do contexto determinado, para o modelo matemático que compreende a situação em que ele se encontra. “Como o cérebro, o sistema consiste em várias partes interconectadas que formam uma cadeia de processamento cada vez mais especializada”, resume Emre Neftci. A máquina tomou decisões corretas em 95% das vezes, um índice similar ao conseguido por animais no mesmo tipo de teste.

A técnica pode ser um passo importante para a criação de um novo tipo de sistemas neuroinspirados capazes de interagir com o mundo real. “Uma vantagem é que o número de conexões é programável e quase ilimitado. Por exemplo, em nosso sistema, cada neurônio fez centenas ou algumas vezes milhares de conexões com outros neurônios, numa proporção como a observada na biologia”, ressalta Neftci. Os chips também podem ser configurados para adquirir comportamentos variados, dependendo do projeto executado. O modelo ainda pode ser combinado com outros tipos de sensores artificiais de imagem ou som, formando sistemas capazes de interagir com pessoas ou determinados acontecimentos.
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