Koniec z opóźnieniami. Dlaczego każda milisekunda ma znaczenie?
Większość inteligentnych zegarków i opasek fitness doskonale radzi sobie z gromadzeniem danych o tętnie czy aktywności. Problem w tym, że rzeczywista analiza tych informacji odbywa się zazwyczaj na zewnętrznych serwerach. To oznacza, że zanim dane zostaną przesłane, przetworzone i odesłane z powrotem, mija cenny czas. W sytuacjach, gdzie liczy się każda milisekunda – jak na przykład w przypadku migotania komór, groźnego zaburzenia rytmu serca – takie opóźnienie może być krytyczne.
„Przyszłość, którą staramy się zrealizować, to sprawienie, by urządzenia noszone na ciele i implanty stały się inteligentniejsze” – wyjaśnia Sihong Wang, profesor inżynierii molekularnej w UChicago PME i współautor nowego badania opublikowanego w prestiżowym Nature Electronics. „Pomaga to ludziom mieć osobistego, natychmiastowego lekarza zintegrowanego z ich urządzeniami.”
Sztuczna inteligencja na skórze: Przełomowa technologia
Nowe urządzenie, opracowane i przetestowane we współpracy z badaczami z Argonne National Laboratory, to elastyczny plaster obliczeniowy, który przetwarza dane zdrowotne za pomocą sztucznej inteligencji bezpośrednio na ciele. To kluczowa różnica – obliczenia AI są wykonywane w ciągu milisekund, eliminując potrzebę bezprzewodowego przesyłania informacji.
Laboratorium profesora Wanga od lat pracuje nad komponentami elektronicznymi, które mogą rozciągać się i zginać jak ludzka skóra. Celem jest stworzenie inteligentnych urządzeń, które można bezpośrednio przymocować do tkanek biologicznych. Wcześniejsze osiągnięcia obejmowały już rozciągliwe układy tranzystorowe i rozciągliwy wyświetlacz OLED. Teraz celem było zbudowanie rozciągliwego neuromorficznego obwodu obliczeniowego – dużej sieci tranzystorów zdolnych do analizowania informacji zdrowotnych na niespotykaną dotąd skalę.
Jak plaster „myśli”: Naśladując mózg
Zespół wybrał organiczne tranzystory elektrochemiczne, które działają inaczej niż tranzystory w konwencjonalnych układach scalonych. Urządzenia te przetwarzają informacje zarówno poprzez prądy elektryczne, jak i ruch jonów w żelowej warstwie elektrolitu. Ponieważ elektrolit może przechowywać informacje w czasie, każdy tranzystor efektywnie posiada własną pamięć, podobnie jak synapsy w mózgu wzmacniają się lub osłabiają, aby przechowywać nauczone wzorce. To właśnie klucz do ich “inteligentnej” pracy.
Budowa tych elastycznych układów nie była jednak prosta. Giętki substrat jest wrażliwy na ciepło i rozpuszczalniki, co wykluczało standardowe metody produkcji chipów. Problem stanowił również żelowy elektrolit, który ma tendencję do rozpływania się, co mogłoby prowadzić do zwarć. Aby to przezwyciężyć, naukowcy opracowali specjalny polimerowy żel, który twardnieje w precyzyjne struktury pod wpływem światła ultrafioletowego. Dzięki tej technice możliwe jest wytworzenie aż 10 000 organicznych tranzystorów elektrochemicznych na centymetr kwadratowy.
Precyzyjna diagnostyka w ułamku sekundy
Aby ocenić technologię, zespół wykorzystał rozciągliwą sieć tranzystorów do uruchomienia wytrenowanego algorytmu, zaprojektowanego do wspierania leczenia migotania komór. Ten niebezpieczny stan powoduje chaotyczną aktywność elektryczną w sercu i może być śmiertelny. Tradycyjne leczenie często opiera się na dostarczaniu silnego wstrząsu do całego serca. Jednak naukowcy proponują bardziej ukierunkowane podejście, które śledzi nieprawidłowe fale elektryczne i stosuje małe impulsy korygujące, zanim fale się rozprzestrzenią. Wyzwaniem jest szybkość: te elektryczne fronty falowe przemieszczają się przez serce tak szybko, że analiza musi być zakończona w milisekundach, co czyni zdalne przetwarzanie niepraktycznym.
Wykorzystując dane z mapowania serca z podarowanego ludzkiego serca, badacze wykazali, że rozciągliwy układ może identyfikować lokalizacje fal z dokładnością 99,6%, nawet gdy jest rozciągnięty do ponad półtora raza swojej pierwotnej długości. To fenomenalny wynik, otwierający drogę do ratowania życia w nagłych przypadkach.
W innym teście sieć neuronowa, wbudowana w układ, analizowała dane życiowe i osobiste informacje zdrowotne – w tym poziom cholesterolu, cukru we krwi, maksymalne tętno i pomiary EKG – w celu oszacowania ryzyka zawału serca. System osiągnął w tym przypadku 83,5% dokładności.
„Zamiast wysyłać dane na odległy serwer, możemy zacząć je rozumieć dokładnie tam, gdzie dzieje się życie” – podsumowuje Fangfang Xia, naukowiec komputerowy z Argonne National Laboratory i współautor badania.
Przyszłość noszenia technologii
Profesor Wang wierzy, że układ obliczeniowy może stać się częścią w pełni zintegrowanej platformy monitorowania zdrowia. Jego zespół pracuje obecnie nad połączeniem tej technologii z rozciągliwymi bezprzewodowymi systemami komunikacyjnymi i bardziej zaawansowanymi czujnikami. Celem jest stworzenie urządzeń, które będą w stanie zbierać, analizować i reagować na dane zdrowotne w czasie rzeczywistym, oferując niezrównany poziom spersonalizowanej opieki medycznej, dostępnej w dowolnym miejscu i czasie.
