Νέα φορητά ηλεκτρονικά σε συνδυασμό με τεχνητή νοημοσύνη θα μπορούσαν να μεταμορφώσουν τον έλεγχο για προβλήματα υγείας.
Τα ευέλικτα, φορητά ηλεκτρονικά είδη χρησιμοποιούνται καθημερινά και οι δυνατότητές τους δεν έχουν ακόμη αξιοποιηθεί. Σύντομα, αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για ιατρικούς αισθητήρες ακριβείας που είναι προσαρτημένοι στο δέρμα, σχεδιασμένοι να πραγματοποιούν παρακολούθηση και διάγνωση της υγείας. Θα ήταν σαν να έχετε ένα ιατρικό κέντρο υψηλής τεχνολογίας στην άμεση επικοινωνία σας.
Μια τέτοια συσκευή που μοιάζει με δέρμα αναπτύσσεται σε ένα έργο μεταξύ του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) και της Σχολής Μοριακής Μηχανικής Pritzker (PME) του Πανεπιστημίου του Σικάγο. Επικεφαλής του έργου είναι ο Sihong Wang, επίκουρος καθηγητής στο UChicago PME με κοινό ραντεβού στο τμήμα Nanoscience and Technology του Argonne.
Όταν φοριούνται τακτικά, τα μελλοντικά φορητά ηλεκτρονικά θα μπορούσαν ενδεχομένως να ανιχνεύσουν πιθανά αναδυόμενα προβλήματα υγείας – όπως καρδιακές παθήσεις, καρκίνο ή σκλήρυνση κατά πλάκας – ακόμη και πριν εμφανιστούν εμφανή συμπτώματα. Η συσκευή θα μπορούσε επίσης να κάνει μια εξατομικευμένη ανάλυση των δεδομένων υγείας που παρακολουθούνται, ελαχιστοποιώντας παράλληλα την ανάγκη για ασύρματη μετάδοσή της. ”Η διάγνωση για τις ίδιες μετρήσεις υγείας μπορεί να διαφέρει ανάλογα με την ηλικία του ατόμου, το ιατρικό ιστορικό και άλλους παράγοντες”, είπε ο Wang. ”Μια τέτοια διάγνωση, με πληροφορίες για την υγεία που συλλέγονται συνεχώς για μεγάλο χρονικό διάστημα, είναι πολύ σημαντική σε δεδομένα.”
“Αν και εξακολουθεί να απαιτεί περαιτέρω ανάπτυξη σε πολλά μέτωπα, η συσκευή μας θα μπορούσε να αλλάξει το παιχνίδι, όπου όλοι μπορούν να λάβουν την κατάσταση της υγείας τους με πολύ πιο αποτελεσματικό και συχνό τρόπο.” – Sihong Wang, επίκουρος καθηγητής στο PME του UChicago με κοινό διορισμό στο τμήμα Nanoscience and Technology του Argonne
Μια τέτοια συσκευή θα πρέπει να συλλέγει και να επεξεργάζεται έναν τεράστιο όγκο δεδομένων, πολύ πάνω από αυτό που μπορούν να κάνουν ακόμη και τα καλύτερα smartwatches σήμερα. Και θα έπρεπε να κάνει αυτά τα δεδομένα με πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας σε έναν πολύ μικρό χώρο.
Για να αντιμετωπίσει αυτή την ανάγκη, η ομάδα χρησιμοποίησε νευρομορφικούς υπολογιστές. Αυτή η τεχνολογία AI μιμείται τη λειτουργία του εγκεφάλου εκπαιδεύοντας σε προηγούμενα σύνολα δεδομένων και μαθαίνοντας από την εμπειρία. Τα πλεονεκτήματά του περιλαμβάνουν συμβατότητα με εκτατό υλικό, χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας και μεγαλύτερη ταχύτητα από άλλους τύπους τεχνητής νοημοσύνης.
Η άλλη σημαντική πρόκληση που αντιμετώπισε η ομάδα ήταν η ενσωμάτωση των ηλεκτρονικών ειδών σε ένα ελαστικό υλικό που μοιάζει με δέρμα. Το βασικό υλικό σε κάθε ηλεκτρονική συσκευή είναι ένας ημιαγωγός. Στα τρέχοντα άκαμπτα ηλεκτρονικά που χρησιμοποιούνται σε κινητά τηλέφωνα και υπολογιστές, αυτό είναι συνήθως ένα τσιπ συμπαγούς πυριτίου. Τα εκτατά ηλεκτρονικά απαιτούν ο ημιαγωγός να είναι ένα εξαιρετικά εύκαμπτο υλικό που να είναι ακόμα ικανό να άγει ηλεκτρισμό.
Το νευρομορφικό ”τσιπ” της ομάδας που μοιάζει με δέρμα αποτελείται από ένα λεπτό φιλμ ενός πλαστικού ημιαγωγού σε συνδυασμό με εκτιμώμενα ηλεκτρόδια νανοσύρματος χρυσού. Ακόμη και όταν τεντώνονταν στο διπλάσιο του κανονικού μεγέθους της, η συσκευή τους λειτουργούσε όπως είχε προγραμματιστεί χωρίς να σχηματιστούν ρωγμές.
Ως μία δοκιμή, η ομάδα κατασκεύασε μια συσκευή AI και την εκπαίδευσε να διακρίνει τα υγιή σήματα ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ΗΚΓ) από τέσσερα διαφορετικά σήματα που υποδεικνύουν προβλήματα υγείας. Μετά τη δοκιμασία, η συσκευή ήταν περισσότερο από 95% αποτελεσματική στη σωστή αναγνώριση των σημάτων ΗΚΓ.
Ο πλαστικός ημιαγωγός υποβλήθηκε επίσης σε ανάλυση στη γραμμή δέσμης 8-ID-E στο Advanced Photon Source (APS), μια εγκατάσταση χρήστη του DOE Office of Science στο Argonne. Η έκθεση σε μια έντονη ακτίνα ακτίνων Χ αποκάλυψε πώς τα μόρια που συνθέτουν το υλικό της συσκευής που μοιάζει με δέρμα αναδιοργανώνονται όταν διπλασιάζονται σε μήκος. Αυτά τα αποτελέσματα παρείχαν πληροφορίες μοριακού επιπέδου για την καλύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων του υλικού.
«Η προγραμματισμένη αναβάθμιση του APS θα αυξήσει τη φωτεινότητα των ακτίνων Χ έως και 500 φορές», δήλωσε ο Joe Strzalka, ένας φυσικός Argonne. ”Ανυπομονούμε να μελετήσουμε το υλικό της συσκευής υπό τις κανονικές συνθήκες λειτουργίας του, την αλληλεπίδραση με φορτισμένα σωματίδια και την αλλαγή του ηλεκτρικού δυναμικού στο περιβάλλον του. Αντί για ένα στιγμιότυπο, θα έχουμε περισσότερη ταινία της δομικής απόκρισης του υλικού στο μοριακό επίπεδο». Η μεγαλύτερη φωτεινότητα της γραμμής δέσμης και οι καλύτεροι ανιχνευτές θα επιτρέψουν τη μέτρηση του πόσο μαλακό ή σκληρό γίνεται το υλικό ως απόκριση στις περιβαλλοντικές επιρροές.
«Αν και εξακολουθεί να απαιτεί περαιτέρω ανάπτυξη σε πολλά μέτωπα, η συσκευή μας θα μπορούσε μια μέρα να αλλάξει το παιχνίδι, όπου όλοι θα μπορούν να έχουν την κατάσταση της υγείας τους με πολύ πιο αποτελεσματικό και συχνό τρόπο», πρόσθεσε ο Wang.
Αυτή η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Matter σε μια εργασία με τίτλο ”Εγγενώς τεντώσιμες νευρομορφικές συσκευές για επί του σώματος επεξεργασία δεδομένων υγείας με τεχνητή νοημοσύνη.”
Εκτός από τον Wang και τον Strzalka, τα μέλη της ομάδας Argonne που συνεισφέρουν σε αυτή τη σημαντική έρευνα περιλαμβάνουν τους Zixuan Zhao, Fangfang Xia, Rick Stevens και Jie Xu. Στους συντελεστές του UChicago PME περιλαμβάνονται οι Shilei Dai, Yahao Dai, Yang Li, Youdi Liu, Ping Cheng, Songsong Li, Nan Li, Qi Su, Shinya Wai, Wei Liu και Cheng Zhang. Σε αυτό το έργο συνέβαλαν επίσης ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Tongji (Jia Huang) και το Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια (Ruoyu Zhao και J. Joshua Yang).
Αυτή η εργασία χρηματοδοτήθηκε από το Γραφείο Ναυτικών Ερευνών των ΗΠΑ, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και ένα ταμείο εκκίνησης από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο.
Πηγή: science.osti.gov
