Un modelo biomimético de la retina humana basado en memristores nanotecnológicos

El futuro de la ley de Moore son los memristores, dispositivos nanotecnológicos que ahora permiten desarrollar memorias flash ultrarrápidas e “inteligentes”. Sin embargo, desde su descubrimiento teórico en 1971 por Leon O. Chua, el memristor también se ha propuesto como modelo de redes de neuronas. Lo último sobre esto es el modelo biomimético de la retina propuesto por científicos húngaros y británicos, donde la parte “inteligente” de la retina está basada en memristores; gracias a ellos este nuevo modelo permite un amplio rango dinámico (ver tanto imágenes muy oscuras como muy claras), además de un reconocmiento automático de bordes. Por ahora estas retinas artificiales nanotecnológicas son solo modelos teóricos (los autores del artículo han simulado unos pocos fotorreceptores utilizando Matlab y PSPICE), pero dentro de pocos años podría haber prototipos de laboratorio; en mi opinión, el futuro de estas aplicaciones de los memristores es muy prometedor. El artículo técnico es Andras Gelencser, Themistoklis Prodromakis, Christofer Toumazou, Tamas Roska, “A Biomimetic Model of the Outer Plexiform Layer by Incorporating Memristive Devices,” ArXiv, 3 Dec 2011.

El modelo de Gelencser y sus colegas considera la zona intermedia de la retina (capa OPL) en donde se encuentran las células bipolares y las células horizontales, dos tipos de neuronas. Las neuronas disponen de dos terminaciones, una dendrita y un axón. Como muestra la figura, la dendrita conecta las células bipolares con las células fotorreceptoras (los conos y los bastones), mientras que el axón sirve para realizar la conexión con la capa celular más externa de la retina, formada por las llamadas células ganglionares de las que parte el nervio óptico. Las células horizontales permiten una conexión “horizontal” entre las células bipolares, pero también son sensibles a la luz y permiten el gran rango dinámico que presenta la retina (sobre todo a la hora de adaptarse a situaciones con muy poca luz ambiental). Ambos tipos de neuronas son simuladas por un memristor adecuadamente conectado, que además, simula bien sus propiedades más importantes. Al usar el mismo elemento nanoelectrónico para dos tipos de neuronas diferentes se simplifica su implementación física. 

9 pensamientos en “Un modelo biomimético de la retina humana basado en memristores nanotecnológicos

  1. Gracias por la información paco.

    Hace décadas que están saliendo dispositivos a nivel nanotecnologico y los memristores parece que son uno mas (He visto conmutadores de paso de cargas, hechos con moléculas).

    Una buena pagina de introducción a estos dispositivos esta en Nature:

    http://www.nature.com/nature/journal/v453/n7191/full/nature06932.html

    En esencia, son resistores cuya resistencia cambia con la distribución interna de cargas, es decir , de portadores.

    Ello solo se pone de manifiesto en escalas nanotecnologicas, por lo que hasta 2008 (Hewlet-Packard: http://www.hpl.hp.com/news/2010/apr-jun/memristor.html ) no hubo dispositivos de estos.

    No se si hoy día están en nuestros Pen-Drives, pero no me extrañaría dado el inmenso vértigo que lleva todo esto.

    Recuerdo un receptor completo de radio, del tamaño de un grano de arroz, hecho con nanotubos de carbono, hace unos 2 años.

    Eso si, sintonizado a solo una frecuencia, la de la BBC (British Technology, obviously).

  2. Totalmente de acuerdo. El memristor, y más generalmente los sistemas memristivos propuestos por Chua y su alumno Kang a finales de los años 70 del siglo pasado barreran al transistor en los años venideros y representan el futuro de la nanocomputación. Que el memristor pueda almacenar un estado entre 0 y 1 también lo convertirá un candidato para algunas formas de computación cuántica, aunque no he visto nada de eso todavía.

    Además, Chua tiene una “tabla periódica” de los circuitos eléctricos que explica esencialmente por qué el memristor es “el cuarto elemento” de una tabla infinita de circuitos eléctricos ( “elementos”), mientras que el memductor y el memcondensador ( meminductur/ memcapacitor en lengua inglesa) no son fundamentales. Esencialmente el memductor y el memcondensador no son pasivos y necesitan suministro de energía, aunque tienen propiedades muy interesantes también.

    Sigo el tema del memristor desde que accidentalmente me enteré de su existencia en 2008, cuando el anuncio de HP, y cuando aún daban noticias de tecnología interesantes en el teletexto de TVE, ahora ya no hay nada que merezca la pena. Otra estaca en el corazón de la Ciencia y la Tecnología española: su poca divulgación o interés a largo plazo. Parece que no interesa que la gente piense. Y eso que si se cumplen los plazos de HP, en 14 meses, más o menos, saldrán dispositivos memristivos al mercado ( HP ató un contrato con los coreanos de Hynix para la producción de memorias basadas en memristores). Si estoy en lo cierto HP con los memristores revivirá, como le pasó a Apple, si encuentran a una persona con gancho para la mercadotecnia como el difunto Jobs. Cosas que los memristores pueden ya hacer: simular sinapsis ( de memoria), atraer el interés de DARPA ( y su pasta), resolver laberintos, puertas lógicas y circuitos que requerirían muchos más transistores ( simplificarán y reducirán pues más las componentes), escalabilidad, simulación de memductores y memcondensadores, autómatas celulares, …Las futuras: Inteligencia artificial, nanocomputación ultrarrápida, arquitecturas neuromórficas y robótica, lo que comentas es en síntesis un primer paso para la visión artificial,
    computación cuántica, y mil y una cosas que están por inventar.

    Por otra parte, una cosa muy interesante sobre este trabajo es lo que significa para la Mecánica también. Hay un pequeño grupo de científicos que investigan las analogías entre sistemas eléctricos y mecánicos. Estoy estudiando un poco de eso ahora y resulta fascinante. El estudio de los llamados sistemas electromecánicos ha llevado a plantear un formalismo lagrangiano y hamiltoniano en el que se introduce un nuevo concepto: la co-energía. Así como el co-lagrangiano y el co-hamiltoniano. Sin embargo, los memristores no son circuitos sin pérdidas. Recuerdan el estado de carga, pero son pasivos y necesitan “power”, disipando energía mientras son leidos o se graba sobre ellos ( aunque no cuando están “idle”). Los memductores y los memcondesadores son candidatos para nuevos elementos no lineales de circuitos sin pérdidas de energía ( pero no son pasivos en general como el memristor).

    Recomiendo los artículos de Riaza y el review de diVentra y Pershin, ambos en arxiv, para estudiar las bases de los circuitos con memoria. También el paper de Chua sobre la tabla periódica de los circuitos electrónicos ( que aún no tiene parte II porque, según palabras del propio Chua, tuvo entonces poco feedback y lo dejó, y aun cuando ha querido retormar dichos estudios, el “descubrimiento” ,o re-descubrimiento, del memristor por HP en 2008 no le deja ahora demasiado tiempo libre).

    Un saludo.

    JFGH

  3. a).- El cambio de estado (De la curva V-I) se realiza introduciéndole corriente.
    b).- Creo que ello mueve portadores internos que cambian la ‘curva V-I’.
    c).- Una vez movidos los portadores, aunque se vaya la energía externa, se ‘recuerda’.
    d).- La medida del estado, se realiza con corriente alterna (Supongo que del orden del Ghz).

    Obviamente, es un único dispositivo, que memoriza, que se puede cambiar rápidamente de estado, y que ocupa poquísimo, y no consume nada en reposo.

    No como el Diodo Túnel (En directa, no en inversa), que también fu propuesto como candidato allá por 1980 (Un único dispositivo, muy rápido) o las famosas memorias de burbujas magnéticas (Derrotadas al final por las EPROM, las EEPROMs, y las Flash).

    Su pega (Del diodo Túnel), era que precisaba corriente en reposo para mantener uno de sus dos estados.

    He leído de HP que esperaban llegar a 120 Gbytes por centímetro cuadrado.

    Y velocidades de acceso (En escritura y lectura) similares a las DRAM, es decir, del orden de nanosegundos en lectura y microsegundos en escritura.

    Adiós a los discos duros mecánicos (Incluso los últimos, basados en la magneto-resistencia gigante, lo que ha permitido pasar de 100 Mbytes,a 150 Gbytes).
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    ¡Oh, la inmensa fertilidad de la mecánica Cuántica……….¡.

    • Ya que mencionas, Javier, la mecánica cuántica…Cuando Chua imaginó al memristor se guió, nuevamente, por la simetría de las ecuaciones clásicas. Es algo realmente notable que los memristores para su realización necesitan ser construidos a escala nanométrica o más allá, donde los dominios cuánticos se extienden. Y para probar que este tipo de circuitos que podemos llamar “clásicos” ya que en sus ecuaciones de definición no aparecen las constantes de Planck, ni la velocidad de la luz, ni nada por el estilo, son universales…El propio León Chua las aplicó el termistor, a una simple bombilla, y más recientemente en la modelización de una unión de Josephson de manera simple y trivial para obtener la corriente de Josephson y una pequeña corrección que no aparece trivialmente si se usan otros modelos. En cierta forma, la electrónica básica tiene muchas conexiones con la forma en la que las leyes físicas se plantean. Por ejemplo, el propio Chua ha hecho la analogía con las leyes de Aristóteles, de Newton y de la relatividad especial para la fuerza. El momento relativista hace el papel de una memristancia en dicha formulación. Brillante, muy brillante el hallazgo de Chua que tardó 40 años grosso modo en emerger, y 41-42 en tener “mercado”. Mi predicción es que en en 5-10 años (quizás menos)va a ver, con permiso de los gobiernos y de quienes sueltan la pasta en la actual coyuntura económica, otro salto tecnológico en electrónica e informática. ¿Quién no va a querer un ordenador que no necesite booting time?¿No está la industria también deseando que la gente consuma productos pese a la crisis?
      Ah, y por cierto Francis, sigue con tus geniales posts y divulgación. Yo seguiré leyendo y mirando si se te pasa algo por alto.

      • Juan, vamos a ver:

        “El momento relativista hace el papel de una memristancia en dicha formulación.”

        Mira, estoy escribiéndote delante de unos sistemas creados por mi, perdiendo horas en mi laboratorio.

        Es decir, no veo que diablos tiene que ver un sistema electrónico de estado solido de varios estados (Como es un memristor, o un diodo túnel, o una puerta CMOS activada por carga atrapada en la red cristalina, es decir, una célula de un bit de una memoria Flash), con el momentum relativista.

        Por cierto, estados NO simultáneos, no permite procesar Q-bits.

        Sinceramente, alucinante tu conexión, porque no se que diablos tiene que ver.

        No creo que haya que darle mas vueltas al asunto.

        Son estructuras de estado solido cuya relación V-I, es decir, cuya distribución de portadores en el canal de conducción, cambia tras aplicar corrientes y /o tensiones especificas.

        Por ejemplo, puede ser una simple barrera túnel cuya altura cambie por el acercamiento-alejamiento de cargas desplazadas de modo permanente tras intensas corrientes o tensiones en sus bornas.

        Hay que recordar que el ancho de barrera típico de uniones P-N tunel, puede ser de unos 100 Amstrong, y con eso, 1 Voltio produce campos del orden de 100 millones de (voltios/metro).

        10 Voltios, 1.000 millones de (Volts/Metro).

        Las uniones Josepson necesitan corriente para ‘memorizar’, malo, malo.

        Ademas, no son muy miniaturizables.

        Las demás ‘analogías’, no veo que papel tienen aquí.

        De todos modos, gracias por la información Juan.

        Y coincido contigo, la mecanica cuantica, y su derivada la fisica del estado solido, nos dan preciosos frutos.

        El negocio de motores paso a paso (Para discos duros), tiene los dias contados.

        J.

  4. Hola Javier. Para el estudio de los análogos y la tabla periódica de Chua, fíjate en la analogía con las leyes circuitales en el segundo paper.

    “Multidomain
    Modeling of Nonlinear
    Networks and Systems”

    “Nonlinear Circuit Foundations for Nanodevices,
    Part I: The Four-Element Torus”

    Sobre el tema de Josephson, la teoría de sistemas hamiltonianos con n-ports, mira este paper online

    “Memristive port-Hamiltonian Systems”

    Dimitri Jeltsemaa* and Arjan J. van der Schaftb Modelan el con memristores las uniones de Josephson…NO he dicho para nada arriba que una unión de Josepshon sea un memristor, sino que se han construido modelos simples con ellos. Chua o este paper último lo explican.

    Por cierto, sólo una queja. Por tus palabras deduzco que eres investigador ( aunque no lo puedo saber con certeza). Sé que tendrás cientos de ocupaciones. Pero sólo te pido una cosa sencilla en el cibermundo: Creo que podrías solamente leer lo que digo con cuidado -lo siento si te hago perder el tiempo-, y no ponerme a criticar de mala gana como parece que haces. Yo no lo he hecho contigo ¿NO? Yo considero que si uno dice una burrada, o algo que parece descabellado, lo primero es hacerle ver el error. Cualquier persona educada e inteligente reconoce sus errores. Yo no soy una excepción.

    La teoría de sistemas y en general los sistemas con n-puertas han sido tema de discusión en los últimos TWF de Baez o ahora en Azimuth. YO no he dicho para nada que tengan que ver, EN PRINCIPIO. Sino que sugieren una analogía muy profunda.

    Sobre lo que comentas de los estados…A ver, si un memristor puede recordar cualquier estado de carga, en prinpipio podría aplicarse ( aunque desconozco cómo) a la escala a la que los efectos cuánticos aparecen.

    Pero a mí me sorprende, como a tí, que son sistemas clásicos. Lo escribí arriba antes. Sin embargo, de acuerdo estoy contigo en que no puede el memristor actual memorizar Q-bits. Pero sí tiene propiedades que sugieren una conexión con el mundo mecanocuántico, pero no tal como están formulados ahora. Al menos en su formulación actual.

    Sobre lo del momentum relativista, piensa en una partícula y las componentes de su 4-momento como “los estados”. Y si eso aún no te convence…Yo pienso que la relatividad restringida es una aproximación a otra teoría, por descubrir aún, y es evidente que en ella cambiará la definición de momento y se reducirá al momento relativista en el límite apropiado. Si es cierto que la gravedad está ligada a que hay un número finito de grados de libertad en un determinado “punto” del espacio tiempo, y si te crees el principio holográfico ( sic), la gravedad cuántica o una extensión de la relatividad debería incorporar efectos similares a los que observamos en la teoría del estado sólido ( electrones o “cargas” ligadas en un cristal, i.e., en un “potencial periódico”).

    Un saludo, y espero que mis comentarios no te hagan perder más tiempo en tu laboratorio.

    • “Un saludo, y espero que mis comentarios no te hagan perder más tiempo en tu laboratorio.”

      Juan, te ruego me disculpes si pensabas que lo decía por ti.

      Perder el tiempo forma parte de mi sistema operativo, viene de serie (Ademas, es muy sano, asi se espabilan las neuronas cuando las das ‘horas libres’, como cuando eramos niños, las peores travesuras no se nos ocurrían en clase, se nos ocurrían en el patio del recreo).

      Te lo decía porque llevo casi 30 años con circuitos y sistemas, en desarrollo, he visto cantidad de ‘dispositivos prometedores’, y con todos esos años, no veía que diablos tenia que ver estos, con lo otro.

      Desde los ‘inminentes’ ordenadores ópticos, cuando se descubrieron las ‘puertas ópticas’, hasta las ‘prometedoras’ burbujas magnéticas.

      Solo han sido dispositivos Juan, con relaciones E-B-V-I-Q-Flujo, y requisitos de energía y tiempos de transiciones.

      He visto mucho glamour, en el fondo, humo en estas décadas Juan.

      Disculpa si me equivoco, pero espero ayudarte a detectarlo porque creo que acá hay algo de ello.

      ;————————————————————

      “Pero a mí me sorprende, como a tí, que son sistemas clásicos. ”

      Juan, son sistemas cuánticos, pero su comportamiento externo, es clásico.

      Un diodo Tunel, un FET, un MOS, son sistemas cuánticos, sin la QM no hay diagramas de bandas ni distribución de Fermi de portadores.

      Un simple diodo LED, es pura mecánica cuántica, se recombinan electrones y huecos, ambos con distinta energía, pero igual momentum (¿Como pueden tener igual energía y distinto momento en física clásica?), y por eso su recombinación, sale en forma de energía, sin momentum casi, es decir, fotones.

      Pero externamente, se comportan como clásicos, un diodo NO tiene dos corrientes al mismo tiempo.

      Y Gracias por el articulo (http://aces.upc.es/arnau/files/slides_rug_2010.pdf), lo he leído, no lo conocía.

      Pero fíjate al final en lo importante Juan: Las curvas V-I (Pag. 13/38 , con histéresis, es decir, con memoria, muy bien).

      Son células de almacenamiento de bits (O de nibels en sumo caso).

      La pagina 26/38 del paper presenta lo que dices, modelo Hamiltoniano de evolución de una red de memoria.

      Pero oculta el tremendo problema de los sistemas de lectura-escritura

      Y a nivel teórico Juan, piensa, este planteamiento hamiltoniano de la red de memorias, me temo (Puedo estar equivocado) que no es sino otra forma de ver lo que es esa red.

      _____Un automata Lógico____

      ______Nueva matriz(n) = Funcion de la anterior matriz(n-1) + Funcion de entradas(n)._______ (Ecuaciones de la pag. 26/38).

      |———————–|

      Solo un ejemplo de ‘lo que se pasan’ respecto a lo real y objetivo, Juan :

      ….”If memristors has the ability of learning, they can be used for adaptive, predictive
      or gain scheduling control point of view?”…….(pag 35/38).

      Juan, aprender implica manejar vectores, matrices, algoritmos.

      Eso se consigue con sistemas lógicos soportados por sistemas físicos con claridad en sus estados (Sean clásicos, o cuánticos, pero bien definidos, los primeros con sus algoritmos para sistemas clásicos, los segundos para sistemas QM).

      Una red analógica de memorias, puede aprender (Redes neuronales) pero no tienes la mas mínima estabilidad ante variaciones tecnológicas de los dispositivos (Las redes neuronales, se hacen sobre maquinas de 32 bits, no sobre amplificadores operacionales).

      Eso te lo callan Juan.

      ………..

      Son dispositivos con los que se podrán hacer matrices de memoria no-volatil, y muy rápidos.

      Van a revolucionar toda la tecnología, eso es cierto.

      Lo que se haga con ellas (Como lo que en su día se hizo con las matrices de núcleos de ferrita), es otro cantar.

      Gracias por la información Juan.

      (Y la RG y lo demás, bueno, coincido contigo pero por hoy lo dejamos,,,,,)

  5. Hola. Me alegro de cómo está integrado tu sistema operativo. :D.

    Comentarios/matizaciones:

    “Un diodo Tunel, un FET, un MOS, son sistemas cuánticos, sin la QM no hay diagramas de bandas ni distribución de Fermi de portadores.

    Un simple diodo LED, es pura mecánica cuántica, se recombinan electrones y huecos, ambos con distinta energía, pero igual momentum (¿Como pueden tener igual energía y distinto momento en física clásica?), y por eso su recombinación, sale en forma de energía, sin momentum casi, es decir, fotones.

    Pero externamente, se comportan como clásicos, un diodo NO tiene dos corrientes al mismo tiempo.”

    Totalmente de acuerdo. Cuando decía que eran clásicos, me refería no a estos circuitos que mencionas, sino a los “memristores” en su descripción matemática: usan ecuaciones clásicas y ecuaciones hamiltonianas donde no aparece la constante de Planck. Tengo bastante claro que los circuitos LED, y demás, son cuánticos. Teoría del Estado sólido esencialmente, y distribución de Fermi-Dirac. Es cuántico. Sin embargo, las ecuaciones que describen los memristores, sistemas memristivos, n-port hamiltonians siguen siendo “casi-clásicas” a nivel formal. Evidentemente es la Física cuántica la que hace posible en última instancia eso. Pero no hay un formalismo lagrangiano para los n-port hamiltonian systems, que yo sepa.

    Sobre:

    “Una red analógica de memorias, puede aprender (Redes neuronales) pero no tienes la mas mínima estabilidad ante variaciones tecnológicas de los dispositivos (Las redes neuronales, se hacen sobre maquinas de 32 bits, no sobre amplificadores operacionales).”

    NO he mencionado esa implicación. Es decir, yo no he dicho que las redes neuronales se hagan sobre amplificadores operacionales. Sólo que los memristores se aplicarán a la construcción de arquitecturas “neuromórficas”. No soy experto en ese campo. Así que tampoco puedo decir mucho más que lo que soy capaz de entender ahí, pero parece una extensión razonable. Y estoy de acuerdo contigo, la Tecnología avanza rápido y como cualquier otra cosa prometedora, el memristor está a priori expuesto a la invención de otros circuitos.

    Pasó con las válvulas de vacío…Recientemente me descargué unos libros antiguos sobre ellas en una página increible. Te la paso como al resto de lectores del blog:

    http://www.tubebooks.org/technical_books_online.htm

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