Yoeri van de Burgt gebruikt geleidende polymeren om chips te maken die informatie verwerken zoals ons brein dat doet. ‘Ik wil dingen maken, dat vind ik leuk. Dan zit je bij werktuigbouw heel goed.’

Ondanks dat supercomputers inmiddels hun hand niet meer omdraaien voor een potje schaken, go of jeopardy tegen de beste menselijke spelers, is van een computerversie van het menselijk brein nog lang geen sprake. Zelfs de meest geavanceerde computersystemen lijken nog in niets op de manier waarop ons brein informatie opslaat, verwerkt en daarvan leert.

Maar onderzoekers die werken aan neuromorphic computing proberen die kloof te verkleinen door het brein als directe inspiratiebron te nemen. ‘Neuromorphic computing valt in twee richtingen uiteen’, vertelt Yoeri van de Burgt, universitair docent neuromorphic engineering aan de Technische Universiteit Eindhoven. ‘De ene richting draait vooral om het nabootsen van het brein in computersystemen. In een conventionele computer zijn processing – ofwel het ‘rekenen’ – en het geheugen van elkaar gescheiden.

Maar ons brein combineert verwerking en geheugen, waardoor het veel efficiënter werkt. Onze hersenen bevatten heel veel neuronen – de processoren – die met elkaar praten via de synapsen, die zorgen voor het geheugen. Hoe vaker neuronen informatie uitwisselen, hoe sterker die synaps wordt en hoe beter je dat signaal onthoudt. Neuromorphic computing probeert dat principe toe te passen door chips te ontwerpen waar het geheugen ook meteen in zit.’

Dopamine

De andere richting draait om het ontwikkelen van materialen die de functie van neurologische componenten vervullen. ‘Dan kom je al snel uit bij organische elektronica, zoals geleidende polymeren die je inzet als synapsen’, vertelt Van de Burgt. ‘Net als de echte synapsen zich aanpassen aan een signaal, doen deze polymeren dat ook door hun weerstand aan te passen; het materiaal onthoudt die weerstand. Zo maken we een soort non-volatiele geheugencel die je kunt gebruiken om neuromorphic chips te bouwen.’

Een veelgebruikt geleidend polymeer in dit type onderzoek is PEDOT:PSS (polyethyleendioxythiofeen:poly(styreensulfonaat)). ‘Als er een ion in dat polymeer komt, dan moet die verandering in de lading worden gecompenseerd; een geleidend polymeer past dan de weerstand aan. Deze lading in het polymeer wordt dan, net als in een batterij, gevangen door het elektronische circuit te onderbreken, waardoor deze verandering blijvend is.’

In 2020 publiceerde Van de Burgt, samen met groepen uit Italië en de VS, in Nature Materials een voorbeeld van hoe je met PEDOT:PSS een synaptische interface kunt bouwen tussen levende cellen en een kunstmatig, elektronisch systeem. Ze gebruiken hiervoor zogeheten PC-12 cellen, neuron-achtige cellen die de neurotransmitter dopamine uitscheiden.

Het postsynaptische deel, ofwel de ontvanger van de neurotransmitter, bestaat hier uit een goudplaatje van poorten en kanaaltjes, bedekt met een laagje PEDOT:PSS. Zodra dopamine vrijkomt uit de PC-12 cellen, wordt dat geoxideerd tot dopamine-quinon. Voor die reactie fungeert het PEDOT:PSS als elektrondonor. Dat zorgt voor een verandering in de lading en resulteert permanent in een andere geleidbaarheid. Van de Burgt: ‘De crux van dit systeem is dat we laten zien dat je met een natuurlijk, biologisch signaal een kunstmatig elektronisch systeem kunt sturen en veranderen.’

Werktuigbouw

Levende cellen en neurotransmitters zijn geen voor de hand liggende onderwerpen voor iemand die afstudeerde als werktuigbouwkundig ingenieur. ‘Ik koos voor de micro- en nanotechnologie en ben me tijdens mijn promotie gaan verdiepen in het maken en karakteriseren van koolstofnanobuisjes. Als postdoc op Stanford werkte ik aan zonnecellen, maar mijn begeleider daar stimuleerde mij om ook met organische materialen aan de slag te gaan. Daar is het begonnen.’

Terug in Eindhoven landde Van de Burgt toch weer bij de afdeling werktuigbouw. ‘Materiaalkundig onderzoek is heel interessant, maar ik wil ook iets doen met die materialen. Ik wil dingen maken, dat vind ik leuk en dan zit je bij werktuigbouw heel goed.’ En hoe kwam de biologie in het spel? ‘Dat ging via een oud-collega van Stanford met wie ik bleef samenwerken. Ik maakte de PEDOT devices, zij combineerde dat met levende cellen. Toen zijn we gaan denken over nieuwe mogelijkheden, zoals het combineren van neuromorphic engineering met biologische systemen. Dat is echt wel nieuw, dat doen nog niet veel mensen. Maar er is steeds meer interesse in bio-elektronische interfaces en in smart robotics, allemaal onderwerpen die goed passen bij wat ik nu leuk vind.’

Opnieuw leren

Terug naar het resultaat uit Nature Materials. Biedt zo’n systeem echt een serieus alternatief voor de huidige chips? Daar heeft Van de Burgt geen reality check voor nodig. ‘Wij gaan niet concurreren met de Intels van deze wereld.’ En dat hoeft voor hem ook niet, want er zijn genoeg interessante niches waar je met chips op basis van geleidende polymeren heel interessante dingen kunt doen. ‘In de wetenschap moet je altijd op zoek naar een niche, zeker als je zoals ik net begint.’

Een mogelijkheid waar Van de Burgt iets in ziet zijn slimme biosensoren voor lab-on-a-chip-toepassingen. ‘Ik denk aan een soort zwangerschapstest die meer kan, die slimmer is. Die verschillende ziektes kan herkennen vanuit bloed of speeksel of wat je er ook doorheen stuurt. Daar heb je een slim systeem voor nodig dat je kunt trainen, maar voor zo’n test ga je geen dure silicium-chip gebruiken. Onze polymeren zijn juist heel goedkoop, makkelijk te maken en goed te printen.’

Zo werkt Van de Burgt nu aan een project om in het bloed circulerende tumorcellen op te sporen door een neuromorphic chip hierop te trainen. ‘Die tumorcellen wijken af van de gezonde cellen en zoiets kun je heel goed laten beoordelen door een KI-algoritme en als je dat in een neuromorphic chip verwerkt, hoef je er geen aparte computer naast te zetten.’

Een groot voordeel volgens de universitair docent is dat je deze chips bovendien kunt hertrainen, iets dat bij silicium chips onmogelijk is. ‘In die chip liggen de circuits vast, maar in de chips die wij voor ogen hebben, kun je de weerstandjes steeds weer aanpassen. Je kunt de chip nieuwe informatie en feedback aanbieden, waardoor het leren opnieuw begint en je nieuwe taken kunt meegeven. Net zoals in het brein gebeurt.’

Prothese

Het lerende vermogen van de neuromorphic chips en de dynamische manier waarop dat gebeurt door de directe koppeling tussen verwerken en geheugen, kan ook helpen om de communicatie met een prothese te verbeteren. ‘Ik denk dat onze polymeren een ideale interface zijn tussen de zenuwcellen in de hersenen of het ruggenmerg en de elektronische systemen die een prothese aansturen’, aldus Van de Burgt. ‘Door daar een neuromorphic chip tussen te plaatsen kun je veel directer communiceren met een prothese. Je gebruikt dezelfde signalen, namelijk ionen, en je verwerkt de feedback meteen lokaal.’

De stap naar daadwerkelijke implementatie is echter nog groot. ‘Proof-of-principle met levende cellen in een petrischaaltje, dat gaat ons wel lukken. Maar hoe we dat moeten doen in een lichaam? Daar zit voor mij de echte uitdaging en daar hebben we zeker mensen met andere expertises voor nodig.’