Ihomaista neuromorfista älyä: reaaliaikainen sydänseuranta

Kuvittele ohut, kumimainen laastari, joka tarttuu ihoon ja ajattelee nopeammin kuin puhelin. Se seuraa sydäntäsi, tulkitsee hienovaraisia merkkejä ja päättää millisekunneissa, oletko vaarassa. Tätä ovat rakentaneet Chicagon yliopiston ja Argonne National Laboratoryn tutkijat: venyvä, ihomainen laskenta-verkosto, joka suorittaa tekoälyn suoraan keholla.

Miksi paikallinen laskenta on tärkeää

Useimmat puettavat laitteet keräävät dataa mutta ulkoistavat raskaan päättelyn. Ne lähettävät syke- ja liikehistoriat etäpalvelimille, odottavat vastausta ja palauttavat tuomion. Viive on yleensä hyväksyttävä. Mutta toisinaan se ei ole. Kammiotakykardia tai ventrikulaarinen fibrillaatio, kaoottinen ja potentiaalisesti hengenvaarallinen sydämen rytmihäiriö, etenee silmänräpäyksessä. Jos päätös tehdään pilvireissun kautta, saatat menettää ikkunan puuttua asiaan.

Siksi tiimi kysyi käytännöllisen kysymyksen: voidaanko laskenta siirtää suoraan kudokseen? Nature Electronics -lehteen raportoitava vastaus on kyllä. Upottamalla neuromorfisia piirejä pehmeään, venyvään alustaan he rakensivat laitteen, joka suorittaa tekoälylaskelmat millisekunneissa ilman langattomia välityksiä.

Uusi laite, jonka Argonnen kansallisen laboratorion tutkijoiden kanssa suunniteltiin ja testattiin, mahdollistui valmistusprosessien kehittämisen ansiosta, joiden avulla orgaaniset elektrokemialliset transistorit voidaan painaa joustaville pinnoille. 

Miten laitteisto jäljittelee aivoja

Perinteiset piitransistorit ovat binaarisia työjuhtia. Nämä orgaaniset elektrokemialliset transistorit käyttäytyvät enemmän kuin synapsit. Ne yhdistävät sähkövirrat ja ioniliikkeen geelimäisessä elektrolyytissä, ja tämä yhdistelmä antaa jokaiselle transistorille lyhytaikaisen muistin. Signaalit muokkaavat komponenttia fysikaalisesti, joten osa itse tallentaa opittuja painoja. Se on neuromorfinen laskenta käännettynä pehmeisiin materiaaleihin.

Tällainen lähestymistapa tuo sekä etuja että haasteita. Etu: yksittäiset komponentit voivat integroida mittauksen ja laskennan kehon reunalle. Haaste: pehmeät alustat eivät kestä kuumuutta tai voimakkaita liuottimia, joita käytetään perinteisessä sirunvalmistuksessa, ja geeli-elektrolyytti voi virrata ja yhdistää laitteita ellei sitä rajoiteta tarkasti. Tutkijat ratkaisisivat tämän kehittämällä valokovetettavan polymeerigeelin, joka kovettuu ultraviolettivalossa ja mahdollistaa tarkat transistoririvit materiaaleille, jotka venyvät kuin iho.

"Tulevaisuus, jota pyrimme toteuttamaan, on tehdä kannettavista ja implantoitavista laitteista älykkäämpiä," sanoi Sihong Wang, molekyylitekniikan apulaisprofessori ja artikkelin yhteisjohtava kirjoittaja. "Se auttaa ihmisiä saamaan henkilökohtaisen, välittömän lääkärin integroituna laitteisiinsa."

Kuten Zixuan Zhao, jatko-opiskelija ja yhteinen ensimmäinen kirjoittaja, selitti: "Laitteistossa neuroverkon paino on materiaali - sillä on vaihtelua, historia ja fyysiset rajat. Haaste oli pitää nuo rajoitukset mielessä ja silti laskea riittävällä tarkkuudella, jotta sillä on merkitystä."

University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) apulaisprofessori Sihong Wang (oikealla) ja tohtoriopiskelija Max Weires pitävät laitenäytettä. 

Reaaliaikainen sydänkartoitus käytännössä

Näyttääkseen, mitä kehon päällä oleva neuromorfinen laskenta voi käytännössä tehdä, tiimi koodasi etukäteen opetetut verkot taulukkoon ja testasi niitä sydänsignaaleilla lahjoitetusta ihmissydämestä. He pyysivät laitetta paikantamaan sähköisiä aallonrintamia, jotka kertovat fibrillaation alkamisista. Verkosto tunnisti nämä aallonrinnat 99,6 prosentin tarkkuudella, jopa venytettynä yli 1,5-kertaiseksi alkuperäisestä pituudestaan.

Toisessa kokeessa he syöttivät taulukkoon kliinisiä mittareita, kuten kolesterolin, verensokerin, maksimaalisen syketaajuuden ja EKG:stä johdettuja piirteitä. Kehon päällä oleva neuroverkko arvioi sydänkohtausriskin 83,5 prosentin tarkkuudella. Nuo luvut eivät ole pelkkiä laboratoriokärkeä; ne osoittavat, että joustaviin elektroniikkoihin upotettu laskenta voi saavuttaa kliinisesti merkittävän tarkkuuden samalla kun se kestää ihokontaktin mekaaniset realiteetit.

Miksi tämä merkitsee ensiaputilanteiden ulkopuolella? Koska latenssi on uusi lääketieteellinen riski. Jos päätökset ovat hitaita, interventiot ovat karkeaotteisia. Täysin integroitunut verkosto voisi periaatteessa havaita vaarallisen aallon, laskea mihin kudosta tulisi sähköisesti ohjata ja laukaista pienen korjaavan pulssin ennen kuin poikkeava rytmi leviää. Vähemmän shokkia. Enemmän hienosäätöä. Parempia tuloksia.

Laajempi konteksti ja tekniset haasteet

Tämä työ sijoittuu materiaalitieteen, mikrofabrikoinnin ja laskennallisen neurotieteen risteyskohtaan. Orgaaniset elektrokemialliset transistorit esittävät painot materiaalitiloina numeroiden sijaan. Valokovetettavat geelit tekevät tiheiden rivitysten mahdollisiksi. Venyvät johdotukset ja pehmeät langattomat liitännät ovat edelleen tarpeen, jotta tutkimuksen prototyyppi voidaan muuttaa puettavaksi tuotteeksi.

On myös sääntely- ja biokompatibiliteettiin liittyviä kysymyksiä. Pitkäaikainen kiinnittyminen ihoon, immuunivaste implantoitaviin versioihin, virta- ja energiabudjetit jatkuvalle toiminnalle sekä luotettavat langattomat protokollat hätäilmoituksille ovat kaikki aktiivisia insinööritöitä. Tutkijat työskentelevät jo venyvien kommunikaatiokerrosten ja parannettujen anturien parissa, jotka mahdollistaisivat yhden laitteen aistia, analysoida ja reagoida reaaliajassa.

Asiantuntijan näkemys

"Tämä on merkittävä askel kohti lääketieteellisen älykkyyden hajauttamista," sanoi tohtori Lena Ortiz, cardiologi ja biolääketieteellinen insinööri, joka ei osallistunut tutkimukseen. "Kehon pinnalla toimiva neuromorfinen laitteisto vähentää latenssia ja voi muuttaa tapaamme ajatella sydäninterventioita. Mutta laboratorion tarkkuuden muuttaminen jokapäiväiseksi kliiniseksi luotettavuudeksi vaatii tiukkoja kokeita ja fail-safe-mekanismien priorisointia."

Täsmällinen näkökulma kuittaa lupauksen. Nopeampi analyysi ei ole parannuskeino itsessään. Se on mahdollistaja. Se antaa algoritmeille mahdollisuuden toimia siellä, missä fysiologiset tapahtumat tapahtuvat, sen sijaan että ne reagoisivat jälkikäteen.

Yhteenveto

Chicagon yliopiston ja Argonnen tiimit ovat osoittaneet, että ihomaiset neuromorfiset laastarit voivat isännöidä reaaliaikaista tekoälyä ja kestää venymistä, säilyttäen samalla korkean tarkkuuden sydänkartoituksessa ja riskin arvioinnissa. Työ tekee enemmän kuin osoittaa nokkelan komponentin. Se muuttaa suunnittelufilosofiaa: siirrä älykkyys reunalle, kudokseen, paikkaan jossa millisekunnit ratkaisevat.

Seuraavat askeleet testaavat kestävyyttä, energiankäyttöä ja turvallisuuspolkuja, joita kliininen käyttö edellyttää. Jos nämä esteet selätetään, laastari voisi tehdä muutakin kuin valvoa; se voisi osallistua suljettuun säikeeseen, joka aistii, päättää ja toimii - kaikki siellä, missä elämä tapahtuu.