وصله نورومورفیک پوستی برای هوش مصنوعی قلبی سریع

وصله‌ای نازک و لاستیکی را تصور کنید که به پوست می‌چسبد و از یک تلفن همراه سریع‌تر فکر می‌کند. این وصله قلب شما را پایش می‌کند، سیگنال‌های ظریف بدن را می‌خواند و در چند میلی‌ثانیه تشخیص می‌دهد که آیا در خطر هستید یا نه. این همان چیزی است که پژوهشگران دانشگاه شیکاگو و آزمایشگاه ملی آرگون در حال ساخت آن بوده‌اند: یک آرایه محاسباتی کشسان و شبیه پوست که هوش مصنوعی را مستقیما روی بدن اجرا می‌کند.

چرا پردازش محلی اهمیت دارد

بیشتر پوشیدنی‌های هوشمند داده‌ها را جمع‌آوری می‌کنند، اما بخش سنگین تحلیل را به بیرون می‌سپارند. آن‌ها ضربان قلب و گزارش‌های حرکتی را به سرورهای دوردست می‌فرستند، منتظر می‌مانند و سپس نتیجه را برمی‌گردانند. این تاخیر معمولا مشکلی ایجاد نمی‌کند. اما همیشه این‌طور نیست. فیبریلاسیون بطنی، یعنی اختلالی آشفته و بالقوه مرگبار در ریتم قلب، در یک چشم به هم زدن رخ می‌دهد. اگر برای تصمیم‌گیری به رفت و برگشت داده‌ها از طریق فضای ابری وابسته باشید، ممکن است فرصت مداخله را از دست بدهید.

به همین دلیل، این تیم یک پرسش کاربردی مطرح کرد: آیا می‌توان محاسبات را به خود بافت بدن منتقل کرد؟ پاسخی که آن‌ها در نشریه نیچر الکترونیکس گزارش کرده‌اند مثبت است. آن‌ها با جای‌دادن مدارهای نورومورفیک در یک بستر نرم و کشسان، دستگاهی ساختند که بدون واگذاری بی‌سیم داده‌ها، محاسبات هوش مصنوعی را در چند میلی‌ثانیه انجام می‌دهد.

این دستگاه جدید که با همکاری پژوهشگران آزمایشگاه ملی آرگون طراحی و آزمایش شده است، با توسعه فرایندهای ساختی امکان‌پذیر شد که اجازه می‌دهند ترانزیستورهای الکتروشیمیایی آلی روی سطوح انعطاف‌پذیر چاپ شوند. 

سخت‌افزار چگونه از مغز تقلید می‌کند

ترانزیستورهای سیلیکونی سنتی، ابزارهای کاری دودویی هستند. اما این ترانزیستورهای الکتروشیمیایی آلی بیشتر شبیه سیناپس‌ها رفتار می‌کنند. آن‌ها جریان‌های الکتریکی را با حرکت یونی درون یک الکترولیت ژل‌مانند ترکیب می‌کنند و همین ترکیب به هر ترانزیستور نوعی حافظه کوتاه‌مدت می‌دهد. سیگنال‌ها دستگاه را به‌صورت فیزیکی تغییر می‌دهند، بنابراین خود قطعه وزن‌های یادگرفته‌شده را ذخیره می‌کند. این همان رایانش نورومورفیک است که به زبان مواد نرم ترجمه شده است.

این رویکرد هم مزیت دارد و هم پیچیدگی. مزیت آن این است که هر قطعه می‌تواند حسگری و محاسبه را در لبه بدن یکپارچه کند. پیچیدگی آن نیز این است که بسترهای نرم در برابر گرما یا حلال‌های خشن مورد استفاده در تراشه‌سازی مرسوم تاب نمی‌آورند و الکترولیت ژلی ممکن است جاری شود و دستگاه‌ها را به هم متصل کند، مگر اینکه با دقت محصور شود. پژوهشگران این مشکل را با ابداع یک ژل پلیمری قابل الگودهی نوری حل کردند که با نور فرابنفش سخت می‌شود و امکان ساخت آرایه‌های ترانزیستوری دقیق را روی موادی فراهم می‌کند که مانند پوست کش می‌آیند.

سیهونگ وانگ، دانشیار مهندسی مولکولی و نویسنده ارشد مشترک مقاله، گفت: «آینده‌ای که تلاش می‌کنیم آن را محقق کنیم، هوشمندتر کردن دستگاه‌های پوشیدنی و کاشتنی است. این فناوری به افراد کمک می‌کند یک پزشک شخصی و فوری را درون دستگاه‌های خود داشته باشند.»

همان‌طور که زیشوان ژائو، دانشجوی تحصیلات تکمیلی و نویسنده اول مشترک، توضیح داد: «در سخت‌افزار، وزن یک شبکه عصبی یک ماده است، با تغییرپذیری، سابقه و محدودیت‌های فیزیکی. چالش این بود که این محدودیت‌ها را در نظر داشته باشیم و در عین حال با دقتی محاسبه کنیم که واقعا اهمیت داشته باشد.»

سیهونگ وانگ، دانشیار دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر دانشگاه شیکاگو، در سمت راست، و مکس وایرس، دانشجوی دکتری، یک نمونه از دستگاه را در دست دارند. 

نقشه‌برداری قلبی بی‌درنگ در عمل

برای نشان دادن اینکه رایانش نورومورفیک روی بدن واقعا چه کاری می‌تواند انجام دهد، این تیم شبکه‌های از پیش آموزش‌دیده را در آرایه کدگذاری کرد و آن‌ها را با سیگنال‌های قلبی یک قلب انسانی اهدایی آزمود. آن‌ها از دستگاه خواستند جبهه‌های موج الکتریکی را که نشان‌دهنده آغاز فیبریلاسیون هستند، مکان‌یابی کند. این آرایه حتی زمانی که بیش از ۱.۵ برابر طول اولیه خود کشیده شده بود، آن جبهه‌های موج را با دقت ۹۹.۶ درصد شناسایی کرد.

در آزمایش دیگری، آن‌ها شاخص‌های بالینی مانند کلسترول، قند خون، حداکثر ضربان قلب و ویژگی‌های استخراج‌شده از نوار قلب را به آرایه وارد کردند. شبکه عصبی روی بدن، خطر حمله قلبی را با دقت ۸۳.۵ درصد برآورد کرد. این اعداد صرفا کنجکاوی‌های آزمایشگاهی نیستند؛ بلکه نشان می‌دهند محاسبات تعبیه‌شده در الکترونیک انعطاف‌پذیر می‌تواند به دقتی با اهمیت بالینی برسد و هم‌زمان واقعیت‌های مکانیکی تماس با پوست را تحمل کند.

چرا این موضوع فراتر از شرایط اضطراری اهمیت دارد؟ زیرا تاخیر به نوع تازه‌ای از خطر پزشکی تبدیل شده است. وقتی تصمیم‌ها کند باشند، مداخله‌ها نیز خشن و کم‌دقت می‌شوند. یک آرایه کاملا یکپارچه می‌تواند در اصل موج خطرناک را تشخیص دهد، محاسبه کند که بافت در کجا باید از نظر الکتریکی کمی تحریک شود و پیش از گسترش ریتم غیرطبیعی، یک پالس اصلاحی کوچک ایجاد کند. شوک کمتر. ظرافت بیشتر. نتیجه بهتر.

زمینه گسترده‌تر و چالش‌های فنی

این کار در نقطه تلاقی علم مواد، ریزساخت و علوم اعصاب محاسباتی قرار دارد. ترانزیستورهای الکتروشیمیایی آلی، وزن‌ها را نه به‌عنوان عدد، بلکه به‌عنوان وضعیت‌های مادی نمایش می‌دهند. ژل‌های قابل الگودهی نوری، ساخت آرایه‌های پرتراکم را ممکن می‌کنند. با این حال، سیم‌کشی کشسان و پیوندهای بی‌سیم نرم همچنان برای تبدیل یک نمونه پژوهشی به محصول پوشیدنی ضروری هستند.

پرسش‌های نظارتی و زیست‌سازگاری نیز مطرح است. چسبندگی بلندمدت به پوست، پاسخ ایمنی در نسخه‌های کاشتنی، بودجه توان و انرژی برای کارکرد پیوسته و پروتکل‌های بی‌سیم پایدار برای گزارش‌دهی اضطراری، همگی از وظایف فعال مهندسی به شمار می‌روند. پژوهشگران هم‌اکنون روی لایه‌های ارتباطی کشسان و حسگرهای بهبودیافته کار می‌کنند تا یک دستگاه واحد بتواند به‌صورت بی‌درنگ حس کند، تحلیل کند و پاسخ دهد.

دیدگاه کارشناسی

دکتر لنا اورتیز، متخصص قلب و مهندس زیست‌پزشکی که در این مطالعه نقشی نداشته است، گفت: «این یک گام معنادار به سوی غیرمتمرکز کردن هوشمندی پزشکی است. سخت‌افزار نورومورفیک روی بدن، تاخیر را کاهش می‌دهد و می‌تواند شیوه نگاه ما به مداخله‌های قلبی را تغییر دهد. اما تبدیل دقت آزمایشگاهی به قابلیت اطمینان بالینی در زندگی روزمره، به کارآزمایی‌های سخت‌گیرانه و تمرکز بر سازوکارهای ایمن در برابر خطا نیاز دارد.»

این نگاه محتاطانه با وعده اصلی فناوری هم‌خوان است. تحلیل سریع‌تر به‌خودی‌خود درمان نیست. بلکه یک توانمندساز است. این امکان را فراهم می‌کند که الگوریتم‌ها در همان جایی عمل کنند که رویدادهای فیزیولوژیک رخ می‌دهند، نه اینکه پس از وقوع، واکنش نشان دهند.

جمع‌بندی

تیم‌های دانشگاه شیکاگو و آرگون نشان داده‌اند که وصله‌های نورومورفیک شبیه پوست می‌توانند میزبان هوش مصنوعی بی‌درنگ باشند و در برابر کشش دوام بیاورند، در حالی که دقت بالایی را برای نقشه‌برداری قلبی و پیش‌بینی خطر حفظ می‌کنند. این کار فراتر از نمایش یک قطعه هوشمندانه است. این پژوهش یک فلسفه طراحی را بازتعریف می‌کند: انتقال هوشمندی به لبه، به بافت، به همان جایی که میلی‌ثانیه‌ها اهمیت دارند.

گام‌های بعدی، دوام، مصرف انرژی و مسیرهای ایمنی لازم برای استفاده بالینی را آزمایش خواهند کرد. اگر این موانع برطرف شوند، این وصله می‌تواند کاری فراتر از پایش انجام دهد؛ می‌تواند در یک سامانه حلقه‌بسته مشارکت کند که حس می‌کند، تصمیم می‌گیرد و عمل می‌کند، درست همان‌جا که زندگی جریان دارد.