Dispositivo neuromorfico a singola molecola con consumo energetico a livello di aJ per commutazione

Macchine pensanti che consumano pochissimo

Man mano che l’intelligenza artificiale diventa più potente, anche i suoi calcolatori aumentano il fabbisogno energetico. Questo studio descrive un minuscolo dispositivo elettronico costruito da una singola molecola che si comporta in modo un po’ simile a una connessione tra cellule cerebrali pur consumando una quantità di energia quasi inconcepibile. Dispositivi di questo tipo potrebbero un giorno contribuire a far funzionare tecnologie intelligenti usando una frazione dell’elettricità impiegata oggi.

Perché contano interruttori così piccoli e simili al cervello

L’IA moderna si basa su vaste reti di “neuroni” artificiali eseguiti su chip convenzionali. L’addestramento di queste reti può richiedere tanta energia quanta ne consumano migliaia di famiglie, sollevando preoccupazioni economiche e ambientali. I cervelli biologici, invece, svolgono compiti ricchi di apprendimento e memoria usando solo l’energia di una lampadina fioca. Gli ingegneri sperano quindi di imitare alcune caratteristiche delle sinapsi reali, le giunzioni tra neuroni, direttamente nell’hardware. Il lavoro riportato qui spinge questa idea all’estremo, riducendo un elemento di tipo sinaptico fino a una singola molecola pur permettendo di memorizzare e processare informazioni.

Una singola molecola che ricorda

I ricercatori hanno costruito il loro dispositivo attorno a una molecola organica sospesa tra due elettrodi d’oro in un liquido contenente particelle cariche mobili, o ioni. Applicando impulsi elettrici minimi, hanno potuto spingere ioni positivi verso la molecola o allontanarli. Questi ioni torcono o raddrizzano sottilmente la molecola, modificando la facilità con cui gli elettroni la attraversano. Ogni diverso livello di flusso agisce come una diversa intensità di memoria. Nei test, il dispositivo ha commutato in modo affidabile tra più di dieci livelli di questo tipo usando circa 6,34 attojoule di energia per operazione, molto al di sotto di dispositivi sperimentali già efficienti basati su strutture più grandi.

Copiando il modo in cui il cervello impara

Le sinapsi reali si rafforzano o si indeboliscono a seconda della frequenza e della vicinanza temporale delle attivazioni, una proprietà nota come plasticità. Il dispositivo a singola molecola mostra un comportamento simile. Quando il team ha inviato coppie o treni di impulsi elettrici, la conduttanza della giunzione aumentava bruscamente e poi o si affievoliva rapidamente, come la memoria a breve termine, o si stabilizzava in stati duraturi, come la memoria a lungo termine. Sono stati replicati schemi classici di apprendimento come la “facilitazione da impulsi accoppiati”, in cui un secondo segnale arrivato poco dopo il primo ha un effetto amplificato, e “impara dimentica reimpara”, in cui una connessione precedentemente addestrata può essere riaddestrata più rapidamente la volta successiva.

Insegnare al dispositivo ad associare e riconoscere

Per mettere in luce applicazioni pratiche, gli autori hanno programmato pattern di impulsi che imitano il celebre esperimento del cane di Pavlov. Un pattern ha assunto il ruolo di segnale neutro, come una campana, e un altro ha imitato un evento incondizionato, come la vista del cibo. Quando entrambi i pattern sono stati applicati insieme ripetutamente, la sinapsi molecolare in seguito ha risposto in modo forte al solo segnale, proprio come il cane impara a salivare al suono della campana. Il dispositivo ha anche distinto impulsi corti e lunghi che codificavano punti e linee nel codice Morse, permettendogli di riconoscere sequenze semplici. I parametri misurati dal dispositivo sono stati poi usati in un modello al computer di una rete neurale a spike, che ha ottenuto elevata accuratezza nel classificare cifre scritte a mano.

Come il movimento degli ioni guida l’effetto

Dietro questi comportamenti c’è una danza delicata di ioni e conformazione molecolare. Simulazioni al computer ed esperimenti di controllo hanno mostrato che quando certi ioni positivi ingombranti si raggruppano vicino alla molecola, interrompono deboli attrazioni zolfo-ossigeno al suo interno, torcendo la struttura e abbassando la conduttanza. Gli impulsi elettrici spingono questi ioni via o li richiamano, guidando la molecola attraverso diverse forme stabili che corrispondono ai vari livelli di memoria. L’energia necessaria per muovere ogni ione è in buona concordanza con l’energia di commutazione misurata, a sostegno dell’idea che le conformazioni controllate dagli ioni siano il fulcro della funzione del dispositivo.

Verso un’intelligenza artificiale più verde

In termini semplici, questo lavoro dimostra che una singola molecola può comportarsi come una minuscola connessione cerebrale regolabile e farlo usando una quantità di energia quasi trascurabile. Pur essendo ancora dimostrazioni di laboratorio, questi dispositivi indicano un possibile futuro dell’hardware per l’IA che integra molti elementi simili a sinapsi in spazi molto ridotti mantenendo bassi i consumi energetici. Se scalata, questa approccio potrebbe contribuire a rendere il calcolo avanzato più efficiente dal punto di vista energetico e più vicino al modo in cui i cervelli reali gestiscono apprendimento e memoria.

Citazione: Zhang, H., Ye, J., Gao, M. et al. Single-molecule neuromorphic device with aJ-level power consumption per switching. Nat Commun 17, 4655 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71127-2

Parole chiave: dispositivo neuromorfico, elettronica a singola molecola, plasticità sinaptica, hardware AI a basso consumo, conduttanza controllata da ioni