Puces imprimables inspirées du cerveau, capables de calculer à une vitesse fulgurante et de disparaître en quelques minutes.
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Ce réseau flexible de synapses artificielles 10 × 10 est imprimé sur un substrat de polyimine via un traitement à l’encre liquide à température ambiante, offrant des performances de calcul neuromorphique ultrarapides et une dissolution complète en six minutes de traitement. Crédit : Par Jie Tang§, Yanqiu Sun§, Jianlong Shao, Shijie Chen, Cheng Zhang*, Yiming Liu, Qifeng Lu, Tong Tong*, Chen Cao, Fangchao Li, Xinli Cheng, Shiqing Zhao, Qianfeng Gu, Chunlan Ma, Qichun Zhang* et Yang Li*
Notre cerveau fait fonctionner un supercalculateur d’une puissance stupéfiante avec à peu près la même consommation électrique qu’une ampoule de réfrigérateur de 20 watts, simplement parce que ses milliards de neurones calculent et stockent les souvenirs dans le même espace physique. Les ordinateurs modernes, en revanche, consomment d’énormes quantités d’électricité pour faire constamment transiter des données entre les différentes unités de traitement et de mémoire de la carte mère.
Bien que les ingénieurs aient tenté de remédier à ce goulot d’étranglement des données en construisant des synapses artificielles à partir de silicium rigide et de métaux lourds, ces puces nécessitent des salles blanches de fabrication énergivores et finissent par contribuer aux millions de tonnes de déchets électroniques non recyclables jetés chaque année.
Le professeur Yang Li de l’Université des sciences et technologies de Suzhou et ses collaborateurs ont mis au point une synapse artificielle flexible et ultrarapide, imprimée entièrement à partir d’encres liquides à température ambiante et qui se dissout à la demande en six minutes. Publiés dans l’ International Journal of Extreme Manufacturing , ces travaux démontrent que des dispositifs médicaux performants et bio-inspirés ne nécessitent ni chambres à vide poussé, ni métaux rares, ni déchets électroniques permanents.
La fabrication de composants informatiques à partir de molécules molles à base de carbone a longtemps été freinée par un conflit de matériaux tenace : les composés organiques mous sont naturellement de mauvais conducteurs d’électricité, et les efforts passés pour accélérer leur fabrication ont toujours contraint les ingénieurs à revenir à des plaques métalliques rigides déposées dans des chambres à vide.
L’équipe du professeur Li a contourné ce compromis en assemblant des molécules de porphyrine organique en un réseau rigide bidimensionnel appelé structure organique à liaisons hydrogène, ou TCPP-HOF. Dans ce matériau, les liaisons hydrogène agissent comme des poutres structurales microscopiques, immobilisant les molécules en feuillets plats empilés à seulement 0,35 nanomètre d’intervalle, soit environ cent mille fois plus étroits qu’un cheveu humain.
Cette architecture ordonnée fonctionne comme un tourniquet microscopique qui mémorise chaque impulsion électrique qui le traverse. Lorsqu’une impulsion de tension directe frappe la feuille, les charges électriques se glissent dans des poches moléculaires de repos spécifiques, créant un chemin de faible résistance et augmentant la conductance électrique du dispositif, à l’instar d’une synapse biologique qui se renforce à chaque fois qu’un souvenir est consolidé.
Une impulsion de tension inverse attire ces charges hors de la feuille, réinitialisant la connexion. Grâce à l’alignement précis des voies moléculaires, cette commutation s’effectue en seulement 26 nanosecondes, soit environ vingt millions de fois plus vite qu’un clignement d’œil humain, tout en conservant de manière fiable dix niveaux de mémoire distincts.
Pour tester les performances du matériel lors de tâches informatiques concrètes, l’équipe a imprimé une grille de 10 × 10 synapses sur un support flexible en polyimine et l’a soumise à des tests de reconnaissance de chiffres manuscrits. Le dispositif imprimé a identifié correctement les chiffres avec une précision de 97,23 %, atteignant presque le seuil théorique de 99,24 % des logiciels standards exécutés sur des ordinateurs classiques.
Les couches organiques flexibles ont conservé leurs propriétés même après que la feuille ait été pliée 200 fois de suite autour d’une courbe serrée de 5 millimètres. Une fois la tâche accomplie, un simple trempage dans une solution chimique chaude permet de décomposer la base polymère et la structure en monomères solubles en six minutes seulement, ne laissant qu’un résidu inerte minime.
Pour la fabrication, cette approche basée sur les solutions permet de produire des puces bio-inspirées à l’aide de procédés classiques de pulvérisation et d’imprimantes à jet d’encre, évitant ainsi les systèmes de vide coûteux requis par les usines de semi-conducteurs.
L’application immédiate concerne les patchs médicaux flexibles et les dispositifs de surveillance portables à courte durée de vie qui traitent les données de santé directement sur le corps et se dissolvent lorsqu’ils ne sont plus nécessaires. Les chercheurs travaillent actuellement à l’extension de la grille 10×10 en réseaux à barres croisées plus grands, tout en concevant des barrières d’humidité ultra-minces pour garantir le fonctionnement fiable des circuits hydrosolubles dans l’air extérieur humide.