Eρευνητές αντικαθιστούν το άκαμπτο υλικό τεχνητής νοημοσύνης που βασίζεται στο πυρίτιο με ελαστικά νευρομορφικά ηλεκτρονικά τα οποία μιμούνται τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος επεξεργάζεται πληροφορίες ανοίγοντας νέες δυνατότητες για μακροχρόνια ενσωμάτωση ανθρώπου και μηχανής.
Η σύγχρονη τεχνητή νοημοσύνη μπορεί να ξεπερνά τις ανθρώπινες επιδόσεις σε εργασίες όπως η αναγνώριση εικόνων και η ανάλυση ιατρικών δεδομένων όμως υπάρχει ένα περιβάλλον στο οποίο το σημερινό υλικό εξακολουθεί να δυσκολεύεται: το ανθρώπινο σώμα.
Το πρόβλημα είναι απλό. Οι ανθρώπινοι ιστοί είναι μαλακοί, εύκαμπτοι και βρίσκονται σε συνεχή κίνηση. Τα συμβατικά ηλεκτρονικά δεν είναι. Ακόμη και τα πιο προηγμένα τσιπ πυριτίου παραμένουν άκαμπτα, καθιστώντας εξαιρετικά δύσκολη τη μακροχρόνια ενσωμάτωσή τους σε όργανα, μύες και δέρμα. Συσκευές που συνδέονται με μια καρδιά που χτυπά, πνεύμονες που διαστέλλονται ή αρθρώσεις που λυγίζουν μπορούν να ερεθίσουν τους ιστούς, να χάσουν την επαφή τους και τελικά να αποτύχουν.
Οι ερευνητές ακολουθούν πλέον μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση. Αντί να αναγκάζουν το σώμα να προσαρμόζεται στα ηλεκτρονικά, επανασχεδιάζουν τα ηλεκτρονικά ώστε να συμπεριφέρονται περισσότερο σαν το ίδιο το σώμα.
Η έμπνευση
Η έρευνα που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «International Journal of Extreme Manufacturing» αναδεικνύει την άνοδο των μαλακών νευρομορφικών ηλεκτρονικών, μιας νέας κατηγορίας συσκευών που συνδυάζουν αισθητήρες, μνήμη και υπολογιστική επεξεργασία σε υλικά τα οποία μπορούν να τεντώνονται, να λυγίζουν και να προσαρμόζονται στους ζωντανούς ιστούς. Η τεχνολογία αυτή αντλεί έμπνευση από τον εγκέφαλο όχι μόνο ως προς τον τρόπο επεξεργασίας των πληροφοριών αλλά και ως προς τη φυσική αλληλεπίδραση με το περιβάλλον.
Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά κυκλώματα που βασίζονται αποκλειστικά στην κίνηση ηλεκτρονίων μέσα από μεταλλικές διαδρομές, αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν μαλακά υλικά όπως εύκαμπτα πολυμερή και ιονογέλες (ionogels), τα οποία μεταφέρουν τόσο ηλεκτρόνια όσο και ιόντα.
Ο μηχανισμός αυτός, γνωστός ως οργανική μικτή ιοντική-ηλεκτρονική αγωγιμότητα μοιάζει περισσότερο με την ηλεκτροχημική σηματοδότηση του νευρικού συστήματος. Τα ενεργά υλικά μπορούν να απορροφούν και να απελευθερώνουν ιόντα από το περιβάλλον τους μεταβάλλοντας συνεχώς την εσωτερική ηλεκτρική τους κατάσταση.
Ως αποτέλεσμα ένα μόνο μαλακό τρανζίστορ μπορεί να μιμηθεί τη συναπτική πλαστικότητα δηλαδή τη βιολογική διαδικασία μέσω της οποίας τα νευρικά κύτταρα ενισχύουν ή αποδυναμώνουν τις μεταξύ τους συνδέσεις με την πάροδο του χρόνου. Με άλλα λόγια το ίδιο το υλικό μπορεί να παρουσιάζει συμπεριφορές παρόμοιες με τους μηχανισμούς μάθησης του εγκεφάλου.
Ελαστικά και ενεργειακά αποδοτικά
Οι πρόσφατες εξελίξεις στην επιστήμη των υλικών έχουν προσδώσει σε αυτές τις συσκευές εντυπωσιακή ευκαμψία. Ορισμένα εξαρτήματα μπορούν να επιμηκυνθούν έως και κατά 140% του αρχικού τους μήκους, ξεπερνώντας την φυσική ελαστικότητα του ανθρώπινου δέρματος και επιτρέποντας τη λειτουργία τους σε περιοχές του σώματος με έντονη κίνηση.
Οι συσκευές λειτουργούν επίσης με εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Χάρη στις αποδοτικές ηλεκτροχημικές διεργασίες αντί της χρήσης μεγάλων ηλεκτρικών ρευμάτων μπορούν να εκτελούν σύνθετες εργασίες όπως η ταξινόμηση καρδιακών ρυθμών, με τάσεις μικρότερες από 0,5 βολτ. Αυτές οι χαμηλές τάσεις λειτουργίας μειώνουν την παραγωγή θερμότητας και την ηλεκτρική καταπόνηση, δύο κρίσιμους παράγοντες για ηλεκτρονικά συστήματα που προορίζονται να παραμένουν σε συνεχή επαφή με ζωντανούς ιστούς.
Η τεχνολογία αυτή θα μπορούσε επίσης να αλλάξει τον τρόπο κατασκευής φορετών συσκευών. Αντί να τοποθετούνται άκαμπτοι αισθητήρες πάνω σε εύκαμπτα υποστρώματα, οι μηχανικοί θα μπορούν να εκτυπώνουν ολοκληρωμένα μαλακά υπολογιστικά δίκτυα που συνδυάζουν αισθητήρες, μνήμη και επεξεργασία μέσα σε ένα ενιαίο ελαστικό υλικό.
Η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει στη δημιουργία ηλεκτρονικού δέρματος και μαλακών ρομποτικών άκρων, ικανών να ερμηνεύουν το άγγιγμα και την κίνηση τοπικά, χωρίς να χρειάζεται συνεχής αποστολή δεδομένων σε εξωτερικό υπολογιστή.
Πέρα από το εργαστήριο
Παρά την πρόοδο εξακολουθούν να υπάρχουν σημαντικές τεχνικές προκλήσεις πριν τα μαλακά νευρομορφικά ηλεκτρονικά μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν κλινικά. Μία από τις μεγαλύτερες δυσκολίες είναι η διατήρηση της μνήμης. Πολλές από τις σημερινές μαλακές διατάξεις μνήμης χάνουν γρήγορα τις αποθηκευμένες πληροφορίες μόλις σταματήσει το ηλεκτρικό σήμα, περιορίζοντας τη χρησιμότητά τους για μακροχρόνια αποθήκευση δεδομένων.
Για να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα, οι ερευνητές επικεντρώνονται σε αρχιτεκτονικές τύπου «νησί-γέφυρα» (island-bridge). Σε αυτές τις διατάξεις, τα μόνιμα στοιχεία μνήμης τοποθετούνται πάνω σε μικροσκοπικά άκαμπτα «νησιά» που προστατεύονται από μηχανικές καταπονήσεις, ενώ ιδιαίτερα ελαστικές σπειροειδείς συνδέσεις λειτουργούν ως «γέφυρες» μεταξύ τους.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι ο συνδυασμός αυτών των αρχιτεκτονικών με χημικά σταθερά και μη τοξικά υλικά θα μπορούσε να προσφέρει μια ρεαλιστική πορεία προς την ανάπτυξη ανθεκτικών νευρομορφικών συσκευών, ικανών να ενσωματώνονται μακροπρόθεσμα στο ανθρώπινο σώμα.
