Nova sinapse artificial reconhece cores como o olho humano
Pesquisadores da Universidade de Ciência de Tóquio apresentaram uma sinapse artificial optoeletrônica autoalimentada que reconhece cores com precisão de 10 nanômetros e realiza tarefas típicas de inteligência artificial, como classificação e lógica, com eficiência energética extrema.
“Este estudo apresenta uma sinapse artificial optoeletrônica autoalimentada e ajustável em polaridade, integrando células solares sensibilizadas por corantes,” afirmam os autores no artigo.
A inovação consiste em combinar dois corantes — D131 e SQ2 — aplicados sobre células solares, que geram sinais elétricos com polaridade distinta conforme a cor da luz recebida. Essa propriedade foi explorada para criar um sistema de computação neuromórfica baseado em luz.
O funcionamento do dispositivo é inspirado na forma como os olhos e o cérebro humanos processam a informação visual. No corpo humano, os sinais luminosos são convertidos em impulsos elétricos e filtrados por sinapses antes de chegarem ao cérebro, otimizando o uso de energia.
“Inspirados por esse mecanismo, as sinapses artificiais optoeletrônicas que imitam o comportamento sináptico ganharam atenção como componentes fundamentais para sistemas de visão de máquina de próxima geração e eficientes em termos de energia,” explica o artigo.
O dispositivo desenvolvido reproduz esse comportamento ao responder a pulsos de luz com alterações de voltagem — positivas ou negativas — que variam conforme o comprimento de onda da luz incidente.
Segundo os autores, o sistema responde com diferentes sinais elétricos a comprimentos de onda de 450 a 750 nm, com resolução de 10 nm. A resposta pode ser positiva ou negativa, dependendo da cor — por exemplo, azul produz uma tensão positiva, enquanto vermelho gera uma negativa.
“A resposta bipolar dependente do comprimento de onda permite capacidades excepcionais de separação, alcançando uma resolução de seis bits com 64 estados distintos e suportando múltiplas operações lógicas, incluindo AND, OR e XOR, em um único dispositivo.”
Isso representa um avanço em relação a sinapses artificiais anteriores, que operavam de forma unipolar ou dependiam de intensidade constante de luz para discriminar cores.
A sinapse artificial também foi usada como núcleo de um sistema de computação de reservatório físico (PRC), uma abordagem de aprendizado de máquina que processa dados temporais de forma eficiente.
“O conceito da PRC é reduzir os custos de treinamento transformando dados temporais por meio de um material e treinando apenas uma camada de saída leve, como um modelo de regressão linear.”
Nesse experimento, os dados de entrada foram pulsos de luz codificados em vermelho, verde ou azul. A resposta do dispositivo foi usada como entrada para uma rede neural simples de uma camada com função de ativação softmax.
Para testar a aplicabilidade prática, os pesquisadores submeteram o dispositivo a uma tarefa de reconhecimento de movimento colorido. Usando LEDs nas cores vermelha (650 nm), verde (570 nm) e azul (450 nm), foram apresentados seis tipos de ação humana: pular, correr, mover de lado, curvar-se, acenar com uma ou duas mãos.
“A tarefa de reconhecimento de movimento multicolorido foi realizada com base nos valores de leitura obtidos do dispositivo, com tempo de leitura fixado em 10 ms.”
O dispositivo conseguiu distinguir as cores com 100% de acerto e classificou corretamente os movimentos com precisão total de 82%. Segundo os autores, a vantagem principal foi a capacidade de gerar respostas distintas para as três cores primárias usando apenas um componente.
Além de classificar padrões, o sistema também foi capaz de realizar operações lógicas clássicas. As funções AND, OR e XOR foram implementadas usando apenas variações de cor e intensidade da luz.
“Demonstramos as operações lógicas AND, OR e XOR usando luz vermelha e azul como entradas.”
A operação XOR — normalmente difícil de implementar com sensores ópticos — foi viabilizada pela alternância de polaridade da resposta elétrica do dispositivo.
Segundo os autores, o dispositivo é promissor para sistemas ópticos de baixa potência, como sensores embutidos em veículos autônomos, wearables ou dispositivos biomédicos. No entanto, ainda há pontos a otimizar, como a definição de limites mais claros entre os níveis lógicos “0” e “1”.
“Acreditamos que a implementação bem-sucedida das funções lógicas AND, OR e XOR seja significativa como prova de conceito.”
Eles sugerem que, no futuro, a saída do dispositivo pode ser conectada a circuitos retificadores de baixa tensão, como diodos Schottky, para melhorar a robustez do sistema lógico.
Referência: KOMATSU, Hiroaki; HOSODA, Norika; IKUNO, Takashi. Polarity-tunable dye-sensitized optoelectronic artificial synapses for physical reservoir computing-based machine vision. Scientific Reports, v. 15, n. 16488, 2025. DOI: 10.1038/s41598-025-00693-0.
