Μια νέα γενιά ελαστικών νευρομορφικών ηλεκτρονικών υπόσχεται να μεταμορφώσει τον τρόπο με τον οποίο η τεχνητή νοημοσύνη ενσωματώνεται στο ανθρώπινο σώμα. Ερευνητές αντικαθιστούν τα παραδοσιακά άκαμπτα τσιπ πυριτίου με εύκαμπτα υλικά που μιμούνται τη λειτουργία του ανθρώπινου εγκεφάλου, ανοίγοντας τον δρόμο για μακροχρόνια και αξιόπιστη ενσωμάτωση μηχανής και ανθρώπου. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στην επιστημονική επιθεώρηση «International Journal of Extreme Manufacturing» και αποτελούν σημείο καμπής για την ιατρική τεχνολογία.
Τι έγινε: Το πρόβλημα με το σκληρό πυρίτιο
Η σύγχρονη τεχνητή νοημοσύνη έχει αποδείξει ότι μπορεί να ξεπερνά τις ανθρώπινες επιδόσεις σε πολλές εργασίες, από την αναγνώριση εικόνων έως την ανάλυση ιατρικών δεδομένων. Ωστόσο, υπάρχει ένα περιβάλλον στο οποίο το σημερινό υλικό αδυνατεί να ανταπεξέλθει αποτελεσματικά: το ίδιο το ανθρώπινο σώμα. Ο λόγος είναι θεμελιώδης — οι ανθρώπινοι ιστοί είναι μαλακοί, εύκαμπτοι και βρίσκονται σε αδιάκοπη κίνηση, ενώ τα συμβατικά ηλεκτρονικά δεν διαθέτουν αυτές τις ιδιότητες. Ακόμη και τα πλέον προηγμένα τσιπ πυριτίου παραμένουν άκαμπτα, καθιστώντας εξαιρετικά δύσκολη τη μακροχρόνια ενσωμάτωσή τους σε όργανα, μύες και δέρμα.
Οι συσκευές που προσαρτώνται σε μια καρδιά που χτυπά, σε πνεύμονες που διαστέλλονται ή σε αρθρώσεις που λυγίζουν αντιμετωπίζουν σοβαρά προβλήματα λειτουργικότητας. Μπορούν να ερεθίζουν τους ιστούς γύρω τους, να χάνουν σταδιακά την επαφή με αυτούς και τελικά να αποτυγχάνουν ολοκληρωτικά. Οι ερευνητές αποφάσισαν να αντιστρέψουν την προσέγγιση: αντί να αναγκάζουν το σώμα να προσαρμόζεται στα ηλεκτρονικά, επανασχεδιάζουν τα ηλεκτρονικά ώστε να συμπεριφέρονται περισσότερο σαν το ίδιο το σώμα. Αυτή η φιλοσοφική αλλαγή κατεύθυνσης αποτελεί τον πυρήνα της νέας έρευνας.
Η νέα κατηγορία συσκευών ονομάζεται μαλακά νευρομορφικά ηλεκτρονικά και συνδυάζει αισθητήρες, μνήμη και υπολογιστική επεξεργασία σε ένα ενιαίο σύστημα. Τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται μπορούν να τεντώνονται, να λυγίζουν και να προσαρμόζονται στους ζωντανούς ιστούς με τρόπο που τα παραδοσιακά ηλεκτρονικά δεν μπορούν ούτε να πλησιάσουν. Ορισμένα από αυτά τα εξαρτήματα μπορούν να επιμηκυνθούν έως και κατά 140% του αρχικού τους μήκους, ξεπερνώντας ακόμα και τη φυσική ελαστικότητα του ανθρώπινου δέρματος.
Αντιδράσεις και πλαίσιο: Πώς μιμείται τον εγκέφαλο
Η έμπνευση για αυτή την τεχνολογία προέρχεται απευθείας από τη βιολογία του ανθρώπινου εγκεφάλου — και μάλιστα όχι μόνο ως προς τον τρόπο επεξεργασίας πληροφοριών, αλλά και ως προς τη φυσική αλληλεπίδραση με το περιβάλλον. Τα παραδοσιακά κυκλώματα βασίζονται αποκλειστικά στην κίνηση ηλεκτρονίων μέσα από μεταλλικές διαδρομές. Αντίθετα, τα νέα συστήματα χρησιμοποιούν μαλακά υλικά όπως εύκαμπτα πολυμερή και ιονογέλες, τα οποία μεταφέρουν τόσο ηλεκτρόνια όσο και ιόντα ταυτόχρονα. Ο μηχανισμός αυτός, γνωστός ως οργανική μικτή ιοντική-ηλεκτρονική αγωγιμότητα, θυμίζει έντονα την ηλεκτροχημική σηματοδότηση του νευρικού συστήματος.
Τα ενεργά υλικά που χρησιμοποιούνται έχουν μια εντυπωσιακή ιδιότητα: μπορούν να απορροφούν και να απελευθερώνουν ιόντα από το περιβάλλον τους, μεταβάλλοντας συνεχώς την εσωτερική τους ηλεκτρική κατάσταση. Αυτό σημαίνει ότι ένα μόνο μαλακό τρανζίστορ μπορεί να μιμηθεί τη λεγόμενη 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 απλά λόγια, το ίδιο το υλικό επιδεικνύει συμπεριφορές παρόμοιες με τους μηχανισμούς μάθησης του εγκεφάλου, χωρίς να χρειάζεται πολύπλοκο λογισμικό.
Παράλληλα, οι πρόσφατες εξελίξεις στην επιστήμη των υλικών έχουν προσδώσει σε αυτές τις συσκευές εντυπωσιακή ευκαμψία και ενεργειακή αποδοτικότητα. Η δυνατότητα επέκτασης στο 140% του αρχικού μήκους δεν είναι απλώς εντυπωσιακός αριθμός — είναι η πρακτική προϋπόθεση για να μπορεί μια συσκευή να παραμείνει προσαρτημένη και λειτουργική σε ένα σώμα που κινείται, αναπνέει και αντιδρά. Η ενσωμάτωση αισθητήρων, μνήμης και επεξεργασίας σε ένα μόνο εύκαμπτο σύστημα μειώνει επίσης δραστικά τις ενεργειακές ανάγκες, καθιστώντας τις συσκευές κατάλληλες για μακροχρόνια χρήση εντός ή επί του σώματος.
Τι ακολουθεί: Εφαρμογές στην ιατρική τεχνολογία
Η έρευνα αυτή ανοίγει συγκεκριμένες προοπτικές για την ιατρική τεχνολογία και τη μακροχρόνια ενσωμάτωση ανθρώπου-μηχανής. Συσκευές βασισμένες σε μαλακά νευρομορφικά ηλεκτρονικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε εμφυτεύματα που παρακολουθούν χρόνιες παθήσεις, σε προσθετικά μέλη με βελτιωμένη αισθητηριακή ανατροφοδότηση ή σε συστήματα νευροδιέγερσης. Το κλειδί είναι ότι αυτές οι συσκευές δεν θα χρειάζεται να αντικαθίστανται συχνά λόγω αστοχίας υλικού ή ερεθισμού ιστών. Η έρευνα βρίσκεται ακόμα σε επιστημονικό στάδιο, αλλά τα αποτελέσματα που δημοσιεύθηκαν στο «International Journal of Extreme Manufacturing» θέτουν σαφή κατεύθυνση για τις επόμενες εξελίξεις στον τομέα.
