Ученые из Чикагского университета создали эластичный вычислительный пластырь, который способен обрабатывать информацию о состоянии здоровья непосредственно на теле за доли секунды, что исключает необходимость передачи данных на удаленные серверы для анализа. Устройство, по текстуре похожее на кожу, использует массивы органических электрохимических транзисторов для проведения нейроморфных вычислений, сохраняя при этом достаточную гибкость, чтобы повторять изгибы и растяжения человеческих тканей. Разработчики полагают, что данная технология позволит в будущем создавать более совершенные носимые и имплантируемые медицинские приборы, способные принимать решения практически моментально.
В отличие от стандартных носимых устройств, которые отправляют данные для обработки, новая система проводит анализ непосредственно на устройстве. Специалисты считают, что это может оказаться крайне важным в экстренных медицинских ситуациях, где даже небольшие задержки, исчисляемые секундами, имеют большое значение. Для демонстрации потенциала устройства, разработчики провели его тестирование, используя данные электрокардиографии, связанные с фибрилляцией желудочков – опасным нарушением сердечного ритма, требующим неотложной помощи. Эластичный массив выявлял аномальные электрические импульсы в сердце с точностью 99,6 процента, даже при растяжении более чем на полтора раза от его первоначальной длины.
Предлагаемая разработка направлена на решение актуальной задачи в сфере носимой электроники – создание вычислительных устройств, способных сохранять работоспособность при деформации, подобно коже человека. Ученые создали устройство на основе органических электрохимических транзисторов, которые обрабатывают сигналы за счет электрических токов и ионов, перемещающихся через гелеобразный электролит. Этот электролит также наделяет транзисторы свойствами, аналогичными памяти, позволяя им удерживать информацию в течение определенного времени. Однако создание таких систем с высокой плотностью представляет собой непростую задачу, поскольку мягкий материал электролита может вести себя как жидкость и вызывать короткие замыкания. Применение стандартных технологий изготовления чипов также чревато повреждением гибкой структуры.
Решение возникло благодаря разработке полимерного геля, способного формировать четкие узоры при воздействии ультрафиолетового излучения. Это позволило создать около 10 000 транзисторов на квадратный сантиметр на гибких носителях. « Необходимо было определить, возможно ли применение или модификация данных полимеров для обеспечения их совместимости с фотолитографией, которая является ключевым методом формирования рисунков в производстве микроэлектроники », — пояснил Сионг Ван, доцент кафедры молекулярной инженерии Чикагского университета и один из авторов научной работы. Ученые подчеркнули, что техническая реализация создана для обеспечения нейроморфных вычислений, в которых электронные системы воспроизводят некоторые особенности работы человеческого мозга.
Для оценки вероятности сердечного приступа команда провела тестирование нейронной сети, интегрированной в устройство. При этом использовались индивидуальные данные о здоровье, такие как показатели холестерина, уровня сахара в крови, результаты электрокардиограммы и максимальная частота сердечных сокращений. В ходе тестирования система показала точность, составившую 83,5 процента. По мнению ученых, данная технология сможет в будущем использоваться в носимых устройствах, которые не только будут отслеживать состояние здоровья, но и анализировать его, а также оперативно реагировать на возникающие изменения непосредственно на теле. « В тех случаях, когда проведение вычислений удалённо невозможно, это занимает слишком много времени, — отметил Ван. Однако, если имеется вычислительное устройство, способное выполнять анализ непосредственно внутри организма, такая возможность появляется ».
В настоящее время специалисты компании Вана занимаются объединением вычислительных кластеров с расширяемыми беспроводными сетями и усовершенствованными сенсорами. Цель – разработка взаимосвязанных платформ для мониторинга здоровья, которые будут совместимы с человеческим телом. « Мы можем начать обрабатывать информацию непосредственно в месте ее возникновения, не отправляя ее на удаленный сервер », — подчеркнула Фанфан Ся, эксперт в области компьютерных наук из Аргоннской национальной лаборатории и один из авторов научной работы.
Исследование в журнале Nature Electronics.