Sensores optoeletrônicos flexíveis de IA abrem caminho para dispositivos autônomos de monitoramento de saúde com eficiência energética

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O dispositivo proposto é fotorresponsivo aos pulsos UV, é flexível e fácil de fabricar e descartar, tornando-o ideal para fins de monitoramento da saúde. Crédito:Takashi Ikuno/Universidade de Ciências de Tóquio

Desde a criação de imagens, geração de texto e habilitação de carros autônomos, os usos potenciais da inteligência artificial (IA) são vastos e transformadores. No entanto, toda esta capacidade tem um custo energético muito elevado. Por exemplo, as estimativas indicam que o treinamento do popular modelo GPT-3 da OPEN AI consumiu mais de 1.287 MWh, o suficiente para abastecer uma residência média nos EUA por 120 anos.

Este custo energético representa um obstáculo substancial, especialmente para a utilização da IA em aplicações de grande escala, como a monitorização da saúde, onde grandes quantidades de informações críticas de saúde são enviadas para centros de dados centralizados para processamento. Isto não só consome muita energia, mas também levanta preocupações sobre sustentabilidade, sobrecarga de largura de banda e atrasos na comunicação.

Alcançar monitoramento de saúde e diagnóstico biológico baseado em IA requer um sensor autônomo que opere de forma independente, sem a necessidade de conexão constante a um servidor central.

Ao mesmo tempo, o sensor deve ter um baixo consumo de energia para uso prolongado, deve ser capaz de lidar com sinais biológicos que mudam rapidamente para monitoramento em tempo real, ser flexível o suficiente para ser conectado confortavelmente ao corpo humano e ser fácil de fabricar e descarte devido à necessidade de substituições frequentes por motivos de higiene.

Considerando esses critérios, pesquisadores da Universidade de Ciências de Tóquio (TUS), liderados pelo professor associado Takashi Ikuno, desenvolveram um sensor flexível baseado em papel que funciona como o cérebro humano. Suas descobertas foram publicadas em Advanced Electronic Materials .

"Um dispositivo sináptico optoeletrônico baseado em papel composto de nanocelulose e ZnO foi desenvolvido para realizar a computação de reservatórios físicos. Este dispositivo exibe comportamento sináptico e tarefas cognitivas em uma escala de tempo adequada para monitoramento da saúde", diz o Dr.

No cérebro humano, a informação viaja entre redes de neurônios através de sinapses. Cada neurônio pode processar informações por conta própria, permitindo ao cérebro realizar múltiplas tarefas ao mesmo tempo. Essa capacidade de processamento paralelo torna o cérebro muito mais eficiente em comparação aos sistemas de computação tradicionais.

Para imitar essa capacidade, os pesquisadores fabricaram um dispositivo fotoeletrônico de sinapse artificial composto por eletrodos de ouro sobre um filme transparente de 10 µm composto por nanopartículas de óxido de zinco (ZnO) e nanofibras de celulose (CNFs).

O filme transparente serve três propósitos principais. Primeiro, ele permite a passagem da luz, permitindo-lhe lidar com sinais de entrada óptica que representam várias informações biológicas. Em segundo lugar, as nanofibras de celulose conferem flexibilidade e podem ser facilmente eliminadas por incineração.

Terceiro, as nanopartículas de ZnO são fotorresponsivas e geram uma fotocorrente quando expostas à luz UV pulsada e a uma voltagem constante. Essa fotocorrente imita as respostas transmitidas por sinapses no cérebro humano, permitindo ao dispositivo interpretar e processar informações biológicas recebidas de sensores ópticos.

Notavelmente, o filme foi capaz de distinguir pulsos ópticos de entrada de 4 bits e gerar correntes distintas em resposta à entrada óptica de série temporal, com um tempo de resposta rápido da ordem de subsegundos. Esta resposta rápida é crucial para detectar mudanças repentinas ou anormalidades nos sinais relacionados à saúde.

Além disso, quando exposto a dois pulsos de luz sucessivos, a resposta da corrente elétrica foi mais forte para o segundo pulso. Este comportamento, denominado facilitação pós-potenciação, contribui para os processos de memória de curto prazo no cérebro e aumenta a capacidade das sinapses de detectar e responder a padrões familiares.

Para testar isso, os pesquisadores converteram imagens MNIST, um conjunto de dados de dígitos manuscritos, em pulsos ópticos de 4 bits. Eles então irradiaram o filme com esses pulsos e mediram a resposta da corrente. Usando esses dados como entrada, uma rede neural foi capaz de reconhecer números manuscritos com precisão de 88%.

Notavelmente, esta capacidade de reconhecimento de dígitos manuscritos permaneceu inalterada mesmo quando o dispositivo foi repetidamente dobrado e esticado até 1.000 vezes, demonstrando a sua robustez e viabilidade para uso repetido. “Este estudo destaca o potencial de incorporação de nanopartículas semicondutoras em filmes flexíveis de CNF para uso como dispositivos sinápticos flexíveis para PRC”, conclui o Dr.

Mais informações: Hiroaki Komatsu et al, Dispositivos sinápticos optoeletrônicos baseados em papel descartáveis e flexíveis para computação de reservatórios físicos, Materiais eletrônicos avançados (2024). DOI:10.1002/aelm.202300749
Fornecido pela Universidade de Ciências de Tóquio

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