Гибкий электронный пластырь научился распознавать смертельно опасные аритмии с точностью 99,6 процента
Исследователи из Чикагского университета разработали растягивающийся вычислительный пластырь, который способен обрабатывать данные о состоянии здоровья непосредственно на теле в течение миллисекунд, устраняя необходимость передачи информации на внешние серверы для анализа. Это устройство, напоминающее по своим свойствам кожу, использует массивы органических электрохимических транзисторов для выполнения нейроморфных вычислений, оставаясь при этом достаточно гибким, чтобы изгибаться и растягиваться вместе с человеческими тканями. Учёные утверждают, что эта технология в перспективе позволит создавать более интеллектуальные носимые и имплантируемые медицинские устройства, способные принимать решения практически мгновенно.
В отличие от обычных носимых устройств, которые передают данные куда-либо для обработки, новая система анализирует информацию локально. Исследователи полагают, что это может стать критически важным при медицинских неотложных состояниях, где задержки даже в несколько секунд имеют значение. Чтобы продемонстрировать возможности устройства, команда протестировала его, используя данные картирования сердца, связанные с фибрилляцией желудочков — опасным нарушением сердечного ритма, которое может привести к летальному исходу, если его не лечить. Растягивающийся массив идентифицировал аномальные электрические волновые фронты в сердце с точностью 99,6 процента, даже будучи растянутым более чем в полтора раза от своей первоначальной длины.
Эта работа решает серьёзную проблему в носимой электронике: создание вычислительного оборудования, которое остаётся стабильным при изгибании подобно человеческой коже. Исследователи изготовили устройство с использованием органических электрохимических транзисторов, которые обрабатывают сигналы как с помощью электрических токов, так и ионов, движущихся через гелеобразный слой электролита. Электролит также придаёт транзисторам свойство, напоминающее память, что позволяет им сохранять информацию с течением времени. Однако производство таких систем с высокой плотностью оказалось сложной задачей, потому что мягкий материал электролита может растекаться как жидкость и создавать короткие замыкания. Традиционные методы производства чипов также рискуют повредить гибкую поверхность.
Команда решила проблему, разработав полимерный гель, который затвердевает в точные рисунки под воздействием ультрафиолетового света. Этот процесс позволил создать примерно 10 000 транзисторов на квадратный сантиметр на растягивающихся поверхностях. «Нам нужно было выяснить, можем ли мы использовать или изменить свойства этих полимеров, чтобы сделать их совместимыми с фотолитографией — основным методом нанесения рисунков в микроэлектронной промышленности», — пояснил Сионг Ван, доцент кафедры молекулярной инженерии Чикагского университета и соавтор исследования. Исследователи отметили, что аппаратное обеспечение было разработано для поддержки нейроморфных вычислений, при которых электронные системы имитируют некоторые функции человеческого мозга.
Команда также протестировала нейронную сеть, встроенную в устройство, для оценки риска сердечного приступа с использованием личной информации о здоровье, включая уровень холестерина, сахара в крови, данные электрокардиограммы и максимальную частоту сердечных сокращений. Система достигла точности 83,5 процента во время тестирования. Исследователи утверждают, что эта технология в конечном итоге сможет поддерживать носимые системы, которые не только отслеживают состояния здоровья, но и анализируют их, а также реагируют на них непосредственно на теле. «Это ситуация, когда удалённые вычисления неосуществимы. Это просто занимает слишком много времени, — сказал Ван. — Но если у вас есть вычислительное устройство, которое может проводить анализ внутри тела, это становится возможным».
Сейчас команда Вана работает над интеграцией вычислительных массивов с растягивающимися беспроводными системами связи и улучшенными датчиками для создания полностью связанных совместимых с телом платформ для мониторинга здоровья. «Вместо того чтобы отправлять данные на удалённый сервер, мы можем начать осмысливать их прямо там, где происходит жизнь», — отметила Фанфан Ся, специалист по компьютерным наукам в Аргоннской национальной лаборатории и соавтор исследования.
Исследование в журнале Nature Electronics.