Сучасний штучний інтелект може перевершувати людину в завданнях, починаючи від розпізнавання зображень і закінчуючи аналізом медичних даних, але є одне середовище, де сучасне обладнання, як і раніше, має труднощі: людське тіло.
Проблема напрочуд проста. Тканини людини м'які, гнучкі та постійно рухаються. Звичайна електроніка – ні. Навіть найпередовіші кремнієві чіпи залишаються жорсткими, що робить довгострокову інтеграцію з органами, м'язами та шкірою надзвичайно складною. Пристрої, прикріплені до серця, що б'ється, легень, що розширюються або суглобів, що згинаються, можуть подразнювати тканини, втрачати контакт і, зрештою, виходити з ладу.
Сьогодні дослідники застосовують принципово інший підхід. Замість того щоб змушувати тіло адаптуватися до електроніки, вони перепроєктують електроніку таким чином, щоб вона поводилася більше як саме тіло.
В огляді, опублікованому в Міжнародному журналі екстремального виробництва, висвітлюється розвиток м'якої нейроморфної електроніки — нового класу пристроїв, що поєднують сенсорику, пам'ять і обчислення в матеріалах, здатних розтягуватися, згинатися й адаптуватися до живих тканин. Технологія черпає натхнення з роботи мозку, не тільки у тому, як обробляє інформацію, а й у тому, як фізично взаємодіє з навколишнім середовищем.
Електроніка, натхненна мозком
На відміну від традиційних схем, які покладаються виключно на рух електронів металевими шляхами, ці системи використовують м'які матеріали, такі як гнучкі полімери та гелеподібні іоногелі, які транспортують як електрони, так і іони.
Цей механізм, відомий як органічна змішана іонно-електронна провідність, більше нагадує електрохімічну сигналізацію нервової системи. Активні матеріали можуть поглинати та вивільняти іони з навколишнього середовища, безперервно змінюючи свій внутрішній електричний стан.
В результаті один м'який транзистор може імітувати синаптичну пластичність - біологічний процес, що дозволяє клітинам мозку зміцнювати або послаблювати зв'язки з часом. По суті саме обладнання може демонструвати поведінку, аналогічну механізмам навчання, що спостерігаються в головному мозку.
Розтяжність та енергоефективність
Останні досягнення в матеріалознавстві дозволили цим пристроям досягти вражальної гнучкості. Деякі компоненти можуть розтягуватися до 140% від своєї первісної довжини, перевершуючи природну розтяжність людської шкіри та дозволяючи їм функціонувати у високорухливих областях тіла.
Пристрої також працюють із надзвичайно низьким енергоспоживанням. Завдяки використанню ефективних електрохімічних процесів замість великих електричних струмів, вони можуть виконувати складні завдання, включаючи класифікацію серцевого ритму, при напрузі нижче 0,5 вольтів.
Така низька робоча напруга допомагає мінімізувати тепловиділення та електричну напругу - два критично важливі фактори для електроніки, призначеної для постійного контакту з живими тканинами.
Ця технологія також може змінити виробництво пристроїв, що носяться. Замість встановлення жорстких датчиків на гнучкі підкладки інженери могли б друкувати інтегровані м'які обчислювальні мережі, що об'єднують датчики, пам'ять та обробку даних в одному матеріалі. Такий підхід міг би дозволити створювати електронну шкіру та м'які роботизовані кінцівки, здатні інтерпретувати дотики та рухи локально, замість постійного надсилання даних на зовнішній комп'ютер.
Виходячи за межі лабораторії
Попри досягнутий прогрес перед клінічним застосуванням м'якої нейроморфної електроніки залишаються значні технічні перешкоди.
Однією з найбільших проблем є збереження пам'яті. Багато сучасних м'яких пристроїв швидко втрачають збережену інформацію після закінчення сигналу, що обмежує їх придатність для довготривалого зберігання даних.
Для розв'язання цієї проблеми дослідники зосередилися на острівно-мостових архітектурах. У таких конструкціях компоненти постійної пам'яті розміщуються на крихітних жорстких острівцях, захищених від механічної напруги, а високоеластичні спіральні з'єднання з'єднують компоненти між собою.
Дослідники вважають, що поєднання цих архітектур з хімічно стабільними, нетоксичними матеріалами може забезпечити практичний шлях створення довговічних нейроморфних пристроїв, здатних до довгострокової інтеграції з людським тілом.
