Odos lustai su neuromorfine AI širdies priežiūrai dabar

Įsivaizduokite ploną, guminį pleistrą, prilipusį prie odos ir galvojantį greičiau už telefoną. Jis stebi jūsų širdį, skaito subtilius signalus ir per milisekundes nusprendžia, ar esate pavojuje. Būtent tokį įrenginį Čikagos universiteto ir Argonne nacionalinės laboratorijos mokslininkai kūrė: tamprią, odą primenančią skaičiavimo matricą, kuri vykdo dirbtinį intelektą tiesiog ant kūno.

Kodėl vietinis apdorojimas svarbus

Dauguma nešiojamų prietaisų renka duomenis, bet sunkius sprendimus perduoda kitiems. Jie siunčia širdies ritmą ir judesių žurnalus į tolimus serverius, laukia ir tik tada grąžina verdiktą. Tokia vėlavimo trukmė dažniausiai priimtina. Tačiau kartais taip nėra. Ventrikulinė fibriliacija, chaotiškas ir potencialiai mirtinas širdies ritmo sutrikimas, išsivysto akimirksniu. Jei sprendimui imtis remsitės kelione į debesį ir atgal, galite praleisti momentą, kada dar galima įsikišti.

Todėl komanda uždavė praktišką klausimą: ar skaičiavimus galima perkelti tiesiai į audinį? Atsakymas, kurį jie pristato žurnale Nature Electronics, yra teigiamas. Įterpę neuromorfines grandines į minkštą, tempiamą pagrindą, jie sukūrė įrenginį, atliekantį AI skaičiavimus milisekundėse be belaidžių tarpininkavimų.

Naujasis įrenginys, sukurtas ir išbandytas bendradarbiaujant su Argonne nacionalinės laboratorijos tyrėjais, tapo įmanomas dėl gamybos procesų plėtros, leidžiančios spausdinti organinius elektrocheminius tranzistorius ant lanksčių paviršių. 

Kaip aparatinė įranga imituoja smegenis

Tradiciniai silicio tranzistoriai veikia dvejetainiais principais. Šie organiniai elektrocheminiai tranzistoriai labiau primena sinapses. Jie sujungia elektros sroves su jonų judėjimu geliškame elektrolite, ir šis derinys suteikia kiekvienam tranzistoriui trumpalaikę atmintį. Signalai fiziškai pakeičia įrenginį, todėl pats komponentas saugo išmoktus svorius. Tai neuromorfinis skaičiavimas, verčiamas į minkštąsias medžiagas.

Toks požiūris turi tiek privalumų, tiek sudėtingumų. Privalumas: atskiri įrenginiai gali integruoti jutimą ir skaičiavimus ties kūno periferija. Sudėtingumas: minkšti pagrindai netoleruoja šilumos ar grubių tirpiklių, naudojamų įprastiniame lustų gamyboje, o geliškas elektrolitas gali tekėti ir sujungti įrenginius, jei jis nėra kruopščiai sulaikytas. Tyrėjai tai išsprendė išradę fotodažomą polimerinį gelį, kuris sukietėja ultravioletiniais spinduliais, leidžiančius tiksliai išdėstyti tranzistorių masyvus ant medžiagų, tempiančiųsi kaip oda.

"Ateitis, kurią stengiamės įgyvendinti, yra išmanesni nešiojami ir implantuojami prietaisai," sakė Sihong Wang, molekulinės inžinerijos asociuotas profesorius ir bendraautorius. "Tai padeda žmonėms turėti asmeninį, akimirkinius sprendimus teikiantį gydytoją, integruotą į jų įrenginius."

Kaip paaiškino Zixuan Zhao, doktorantas ir bendra pirmoji autorė: "Aparatinėje įrangoje neuroninio tinklo svoris yra medžiaga su kintamumu, istorija ir fiziniais apribojimais. Iššūkis buvo laikyti tas ribas galvoje ir vis tiek skaičiuoti pakankamu tikslumu, kad tai būtų reikšminga."

Čikagos universiteto Pritzker molekulinės inžinerijos mokyklos (UChicago PME) asociuotas prof. Sihong Wang (dešinėje) ir doktorantas Max Weires laiko pavyzdinį įrenginį. 

Realaus laiko širdies žemėlapių taikymas praktikoje

Norėdami parodyti, ką ant kūno vykdoma neuromorfinė skaičiavimo įranga gali iš tikrųjų atlikti, komanda į matricą užkodavo iš anksto apmokytus tinklus ir išbandė juos su širdies signalais iš paaukotos žmogaus širdies. Jie paprašė įrenginio surasti elektrines bangfrontes, rodančias fibriliacijos pradžią. Masyvas nustatė tas bangfrontes su 99,6 procento tikslumu, net kai jis buvo ištęstas daugiau nei 1,5 karto nuo pradinio ilgio.

Kitame eksperimente jie matricai pateikė klinikinius rodiklius, tokius kaip cholesterolis, gliukozė kraujyje, didžiausias širdies ritmas ir iš EKG išvestos savybės. Ant kūno veikiančio neuroninio tinklo įvertinta infarkto rizika siekė 83,5 procento tikslumą. Šie skaičiai nėra tik laboratorinės įdomybės; jie iliustruoja, kad skaičiavimai, įterpti į lanksčią elektroniką, gali pasiekti klinikiškai reikšmingą tikslumą ir išgyventi mechanines odos sąlygas.

Kodėl tai svarbu ne tik avarijų atvejais? Nes vėlavimas yra naujo tipo medicinos pavojus. Jei sprendimai priimami lėtai, intervencijos būna grubios. Visiškai integruotas masyvas teoriškai galėtų aptikti pavojingą bangą, apskaičiuoti, kur elektriškai paveikti audinį, ir sukelti nedidelį koreguojantį impulsą prieš iškreiptam ritmui išsiskleidžiant. Mažiau smūgių. Daugiau subtilumo. Geresni rezultatai.

Platesnis kontekstas ir techniniai iššūkiai

Šis darbas yra medžiagų mokslo, mikroapdirbimo ir kompiuterinės neurologijos sankirtoje. Organiniai elektrocheminiai tranzistoriai įkūnija svorius kaip medžiagų būsenas, o ne skaičius. Fotodažomi geliai leidžia kurti didelės tankios masyvus. Lankstūs laidai ir minkšti belaidžiai ryšiai vis dar reikalingi, kad tyrimo prototipas taptų nešiojamu produktu.

Yra ir reguliavimo bei biokompatibilumo klausimų. Ilgalaikis prilipimas prie odos, imuninė reakcija į implantuojamas versijas, energijos sąnaudos nuolatinei veiklai ir patikimos belaidės protokolų sukūrimas skubiam pranešimui yra aktyvūs inžineriniai uždaviniai. Tyrėjai jau dirba su tempimo atlaikančiomis komunikacijos sluoksniais ir patobulintais jutikliais, kurie leistų vienam įrenginiui jausti, analizuoti ir reaguoti realiu laiku.

Ekspertų įžvalga

"Tai reikšmingas žingsnis link medicininės žvalgos decentralizavimo," sakė dr. Lena Ortiz, kardiologė ir biomedicinos inžinierė, nedalyvavusi tyrime. "Ant kūno veikianti neuromorfinė aparatūra mažina vėlavimą ir gali pakeisti mūsų požiūrį į širdies intervencijas. Tačiau laboratorinio tikslumo perkėlimas į kasdienį klinikinį patikimumą reikalauja griežtų bandymų ir dėmesio avarinių saugumo mechanizmų kūrimui."

Tokia santūri perspektyva atspindi pažadą. Greitesnė analizė savaime nėra išgydymas. Tai įrankis. Ji leidžia algoritmams veikti ten, kur vyksta fiziologiniai įvykiai, o ne reaguoti po fakto.

Išvada

Čikagos universiteto ir Argonne komandos parodė, kad odos panašios neuromorfinės pleistrai gali talpinti realaus laiko AI ir išgyventi tempimą, išlaikydami aukštą tikslumą širdies žemėlapiavime ir rizikos prognozėse. Šis darbas daro daugiau nei demonstruoja išradingą komponentą. Jis pertvarko projektavimo filosofiją: perkelti intelektą į kraštą, į audinį, į vietą, kur milisekundės turi reikšmę.

Kiti žingsniai bus skirtas patvarumo, energetikos naudojimo ir saugumo kelių bandymams, reikalingiems klinikiniam naudojimui. Jei šie iššūkiai bus įveikti, pleistras galėtų ne tik stebėti; jis galėtų dalyvauti uždaros kilpos sistemoje, kuri jaučia, sprendžia ir veikia viskas ten, kur vyksta gyvenimas.