L’intelligence artificielle semble surpasser les humains dans de nombreux domaines, mais l’un des aspects où le cerveau humain est supérieur est la consommation d’énergie. Pour un calcul complexe, un cerveau humain a besoin d’une puissance de 20 watts, alors qu’un supercalculateur pour une tâche comparable a besoin d’environ un million de fois plus d’énergie. Cet ordinateur fonctionne à 20 mégawatts. Ne pourrait-on pas faire mieux, se demandent depuis longtemps les chercheurs ? Ne pouvons-nous pas concevoir du matériel qui ressemble beaucoup plus au cerveau biologique humain ?
L’un d’eux est Christian Nijhuis, qui mène des recherches à la TU Twente sur les soi-disant interrupteurs moléculaires. Son équipe a récemment fait une percée, celle-là décrit dans une revue spécialisée Matériaux naturels. Il est grand temps de jeter un œil au laboratoire de Nijhuis, où il travaille sur la conception et la mesure de nouvelles molécules.
Nijhuis se qualifie lui-même d'”architecte au niveau moléculaire”. Il dessine des molécules et si elles semblent suffisamment intéressantes, les chimistes peuvent fabriquer une telle molécule. Cela s’appelle synthétiser. «Nous avons maintenant trouvé une molécule qui peut imiter la fonction d’une synapse», explique Nijhuis. Le cerveau est constitué d’environ cent milliards de neurones, chaque neurone étant connecté à des milliers d’autres neurones. Les synapses sont les agents de communication : chaque signal dans le cerveau passe par les synapses. Parmi ceux-ci, on estime à une centaine deux cent mille milliardsqui est un 1 avec quatorze zéros.
Pour Nijhuis, l’intérêt de ces synapses n’est pas tant la quantité inimaginable, mais leur efficacité. C’est pourquoi la synapse est la grande source d’inspiration lors de la conception de nouveaux ordinateurs. Et c’est absolument nécessaire : « Le traitement des flux de données sans cesse croissants devient incontrôlable. Les centres de données consomment de l’énergie et cela ne fera qu’augmenter. Nijhuis mentionne l’exemple bien connu de l’IA : reconnaître le chat sur la photo. L’IA est assez bonne dans ce domaine ces jours-ci, mais il faut une énorme puissance de calcul pour former des modèles et ensuite faire la prédiction “est-ce un chat?” à réaliser.
Nijhuis : « Notre cerveau le fait beaucoup mieux. Ils n’utilisent de l’énergie que lorsqu’une impulsion d’information traverse la synapse, ce qui signifie qu’ils peuvent traiter un grand nombre de données en même temps. Et ce n’est pas tout, elles sont aussi flexibles et dynamiques : « Les synapses agissent comme des interrupteurs, mais la particularité est qu’elles peuvent changer tout le temps. Donc, vous voulez du matériel moléculaire qui possède également ces propriétés dynamiques. Un ordinateur qui, tout comme un cerveau humain, établit de nouvelles connexions à chaque fois qu’il apprend quelque chose de nouveau, renforce ou affaiblit celles qui existent déjà, juste ce qu’il faut.
Processus de fabrication et de mesure méticuleux
Cette simulation d’une seule synapse est maintenant réalisée. Le premier pas a été franchi il y a deux ans, avec l’arrivée d’un interrupteur marche/arrêt moléculaire. Et maintenant, il y a le commutateur qui apprend également du passé. Nijhuis dit avec enthousiasme : « C’était fantastique quand nous avons vu que nos molécules se comportaient comme nous l’espérions.
Ce moment de liesse a été précédé d’un minutieux processus de fabrication et de mesure. Une très fine couche d’exactement une molécule d’épaisseur est appliquée sur une plaque d’or, après quoi elles sont à nouveau séparées les unes des autres. Nijhuis élabore sur les microcanaux, les alliages, les couches de mono- et d’oxyde et les électrodes stables. Monter : “C’est ça, une méthode de fabrication très simple.” Dans le laboratoire, un étudiant montre la monocouche glissante, avec des électrodes des deux côtés. Il utilise un multimètre pour démontrer que la couche moléculaire est bien conductrice.
Le sous-sol du laboratoire est aménagé comme une cage de Faraday sans vibration, où le comportement des molécules peut être mesuré avec un équipement spécial. Une molécule ouvre les portes à toute une famille de nouvelles molécules et matériaux, espère Nijhuis. Et finalement à un réseau de neurones artificiels dans lequel les synapses artificielles ne traitent plus des flux d’informations binaires (avec des zéros et des uns), mais fonctionnent de manière analogue.
“C’est sans précédent”
C’est encore loin, admet Nijhuis. Johan Mentink, qui mène des recherches quelque peu similaires à l’Université Radboud, le pense aussi. Mentink, qui n’était pas impliqué dans les recherches de Nijhuis, qualifie la découverte de TU Twente de percée scientifique : « Ils ont réussi à créer une synapse à l’échelle moléculaire. C’est sans précédent.
Mentink lui-même travaille, entre autres, sur les synapses optomagnétiques, qui commutent en fonction de la lumière. Le gros avantage est qu’ils sont beaucoup plus économiques. Un inconvénient important est qu’ils ne sont pas organiques et sont donc moins adaptés aux applications médicales.
Et c’est précisément dans cette dernière direction que Nijhuis pense avec son invention organique, en plus de toutes les applications où il n’y a pas une quantité abondante d’énergie disponible, comme dans les voitures autonomes ou les drones. Ne serait-il pas formidable si le corps pouvait utiliser un ordinateur super puissant et économique fait de matériaux souples au lieu de puces en silicium dur, rêve Nijhuis à haute voix.
A titre d’exemple, il mentionne un implant qui est placé sur le cortex visuel et peut traiter les informations provenant des yeux, comme une aide pour les aveugles. Des expériences minutieuses sont déjà en cours avec des implants, mais il s’agit de puces grossières et dures avec (dans cet exemple précis) des résultats limités : le porteur aveugle ne voit qu’une image de quelques dizaines de pixels.
D’autres applications utiles, mais moins spectaculaires, seront à portée de main plus tôt, espère Nijhuis, comme des dispositifs capables d’administrer de l’insuline en fonction du mode d’alimentation et du comportement d’un patient diabétique.
Ne courez pas directement au magasin de produits de santé maintenant, prévient Nijhuis : “Des années et des années de recherche fondamentale seront nécessaires avant que nous soyons prêts pour des applications pratiques.”
