Un transistor electroquímico orgánico que sirve como sensor y procesador.

Característica del 2 de junio de 2023

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

En los últimos años, los ingenieros electrónicos han estado tratando de desarrollar un nuevo hardware inspirado en el cerebro que pueda ejecutar modelos de inteligencia artificial (IA) de manera más eficiente. Si bien la mayoría del hardware existente está especializado en detectar, procesar o almacenar datos, algunos equipos han estado explorando la posibilidad de combinar estas tres funcionalidades en un solo dispositivo.

Investigadores de la Universidad Xi'an Jiaotong, la Universidad de Hong Kong y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Xi'an introdujeron un nuevo transistor orgánico que puede actuar como sensor y procesador. Este transistor, presentado en un artículo publicado en Nature Electronics, se basa en una arquitectura transversal vertical y un canal cristalino-amorfo que puede doparse selectivamente con iones, lo que le permite cambiar entre dos modos reconfigurables.

"El hardware de inteligencia artificial (IA) convencional utiliza sistemas separados para la detección, el procesamiento y el almacenamiento de memoria de datos", dijeron a Tech Xplore el profesor Wei Ma y el profesor Zhongrui Wang, dos de los investigadores que llevaron a cabo el estudio.

"Esta separación a menudo conduce a un consumo de energía significativo y demoras de tiempo debido a la necesidad constante de transferencia de datos entre diferentes componentes de hardware y la conversión secuencial de señales analógicas a digitales. Algunos estudios innovadores han resaltado las notables capacidades de detección y memoria analógica de orgánicos transistores electroquímicos (OECT)".

El objetivo inicial del reciente estudio de los investigadores era desarrollar un OECT que pudiera funcionar tanto como sensor como como procesador, ya que dicho dispositivo podría permitir la creación de hardware de IA más homogéneo y eficiente. Los OECT son dispositivos electrónicos orgánicos basados ​​en películas delgadas que funcionan como transistores. Su delgadez los hace particularmente prometedores para el desarrollo de bioelectrónica inteligente, como dispositivos portátiles o implantables y hardware neuromórfico.

El OECT desarrollado por Wang, Chen y sus colegas tiene dos modos de operación diferentes, a saber, un modo de detección y otro de procesamiento. Estos dos modos diferentes son compatibles mediante el dopaje iónico selectivo de un canal cristalino-amorfo dentro del dispositivo.

"En el modo de detección, los iones en el electrolito, impulsados ​​por una señal fisiológica, migran hacia la estructura cristalina, pero pueden volver a difundirse fácilmente en el electrolito, manteniendo el canal en un estado de baja conductancia", explicó Wang. "En el modo de procesamiento, estos iones pueden ser 'atrapados' por la estructura cristalina, manteniendo el canal en un estado de alta conductancia. Esta funcionalidad dual hace que nuestro dispositivo OECT sea único y eficiente".

Para fabricar su matriz OECT, los investigadores utilizaron una serie de técnicas y procesos sencillos, que incluyen la evaporación térmica, el recubrimiento de cuchillas en solución, el recocido térmico y el grabado de iones reactivos. Como todas estas técnicas son rentables, podrían facilitar la fabricación a gran escala de su dispositivo.

"Nuestro dispositivo también cuenta con una versatilidad impresionante", dijo Wang. "Como sensor, puede detectar varios tipos de señales, como las de electrofisiología, especies químicas, luz y temperatura. Además, como unidad de memoria, ofrece una variedad de beneficios, como la capacidad de almacenar estados analógicos de 10 bits. , baja aleatoriedad de conmutación y una retención de estado de más de 10 000 segundos. Esto hace que nuestro dispositivo OECT sea una herramienta versátil en el mundo de la IA".

Wang, Chen y sus colegas evaluaron su dispositivo y su capacidad para cambiar entre sus diferentes modos operativos en una serie de experimentos. Descubrieron que la dinámica de su OECT podía modularse de manera efectiva, lo que le permitía funcionar bien como sensor y como procesador.

Como sensor, el dispositivo puede detectar diferentes tipos de estímulos, incluidos iones y luz. Como procesador, es capaz de estados analógicos de 10 bits, al mismo tiempo que conserva bien estos estados.

"El novedoso dispositivo que desarrollamos presenta dos esquemas operativos distintos debido a dónde quedan atrapados los iones", dijo Shijie. "Como resultado, funciona como sensor y como procesador. Esta capacidad de reconfiguración está bioinspirada, lo que también hace que el futuro hardware neuromórfico sea más versátil y adaptable".

En el futuro, el transistor creado por este equipo de investigadores podría usarse para crear dispositivos neuromórficos avanzados que puedan recopilar diferentes tipos de datos y procesarlos. Como parte de su estudio, Wang, Chen y sus colegas demostraron que podría usarse para diagnosticar enfermedades cardíacas en tiempo real y sus próximos trabajos podrían explorar aplicaciones más prometedoras.

"Actualmente estamos planeando refinar nuestra tecnología de fabricación con el objetivo de crear una matriz OECT a gran escala", agregó Wang. "Esto sentará las bases para una red neuronal de detección y procesamiento completamente integrada. Las aplicaciones potenciales de esta tecnología son amplias y podrían revolucionar campos como el de la atención médica. Por ejemplo, podría permitir el diagnóstico de enfermedades en tiempo real usando solo hardware, un avance que podría mejorar en gran medida la velocidad y la precisión en entornos médicos".

Más información: Shijie Wang et al, Un transistor electroquímico orgánico para detección, memoria y procesamiento multimodal, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-00950-y

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