Novo adesivo cutâneo com IA da University of Chicago e do Argonne National Laboratory promete respostas em milissegundos

Um novo adesivo cutâneo alimentado por IA pode levar a tecnologia vestível de saúde muito além de contar passos e acompanhar o sono.

O dispositivo elástico, feito para ficar em contacto direto com a pele, consegue interpretar dados de saúde com inteligência artificial em tempo real - e, crucialmente, sem precisar enviar as informações primeiro para um servidor remoto.

Essa rapidez talvez não faça tanta diferença quando alguém só quer conferir estatísticas de treino depois de uma corrida. Mas pesa muito quando o coração entra de repente num ritmo perigoso, capaz de se tornar fatal em questão de segundos.

Agora, pesquisadores criaram um adesivo com “cara” de pele que processa dados médicos diretamente no corpo em meros milissegundos. O componente ultrafino dobra e estica como a pele humana e, ao mesmo tempo, executa cálculos de IA quase de imediato.

Segundo os cientistas, com o tempo essa abordagem pode ajudar dispositivos vestíveis e implantáveis a reagirem a emergências médicas - em vez de apenas registarem o que aconteceu.

O estudo foi realizado por pesquisadores da University of Chicago e do Argonne National Laboratory.

Milissegundos importam na medicina

A maioria dos dispositivos inteligentes atuais não “pensa” por conta própria. Eles coletam dados e os enviam sem fio para outro computador ou para a nuvem, onde ocorre a análise. Esse caminho cria uma pequena demora.

Em muitas situações, esse atraso não muda nada. Em outras, pode se tornar um risco.

Um exemplo marcante é a fibrilação ventricular, uma perturbação elétrica caótica no coração. Nessa condição, o coração não consegue bombear sangue de forma eficaz. Em geral, médicos tratam o problema com um choque de desfibrilador, que estimula o coração inteiro.

Há muito tempo, cientistas investigam uma alternativa mais precisa. Em vez de aplicar um choque no órgão todo, seria possível acompanhar ondas elétricas anormais e interrompê-las com pulsos menores direcionados a pontos específicos.

O obstáculo sempre foi a velocidade. As frentes de onda elétrica atravessam o coração tão rapidamente que o sistema tem apenas milissegundos para responder.

“Esta é uma situação em que não é viável ter computação remota. Simplesmente demora demais”, disse o coautor sênior do estudo, Sihong Wang, professor associado de engenharia molecular na UChicago.

“Mas se você tem um dispositivo de computação que consegue fazer a análise dentro do corpo, isso pode ser possível.”

Fazendo a eletrónica esticar como pele

Criar um computador que acompanhe os movimentos do corpo não é trivial. Chips tradicionais são rígidos e frágeis, enquanto a pele humana se dobra, torce e estica o tempo todo.

Há anos, o laboratório de Wang trabalha em eletrónica com comportamento mais parecido com o de tecido vivo. Projetos anteriores do grupo incluíram matrizes de transístores esticáveis e ecrãs OLED flexíveis.

O novo adesivo avança ao unir elasticidade com computação neuromórfica - isto é, um tipo de processamento de informação inspirado, de forma geral, em como o cérebro lida com sinais.

O dispositivo usa componentes chamados transístores eletroquímicos orgânicos. Diferentemente dos transístores de silício presentes em computadores convencionais, esses elementos combinam eletricidade com iões que se movem por um material semelhante a gel.

Essa configuração permite que cada transístor mantenha estados parecidos com memória, de modo semelhante ao fortalecimento ou enfraquecimento das sinapses ao longo do tempo.

Resolvendo o desafio de fabricação

A proposta parecia promissora, mas fabricar os dispositivos virou um grande entrave.

Os materiais flexíveis não suportavam o calor e os químicos usados na produção padrão de chips. Além disso, as camadas de gel tinham tendência a se espalhar como líquido, fazendo com que componentes próximos se unissem e gerassem curto-circuito.

“O que tivemos de perguntar foi se poderíamos usar ou mudar as propriedades desses polímeros para torná-los compatíveis com a fotolitografia, o principal método de padronização usado na indústria de microeletrónica”, afirmou Wang.

A equipa contornou a limitação ao desenvolver um novo gel polimérico que endurece em formas precisas quando exposto à luz ultravioleta.

Com isso, chegaram a um método de produção capaz de acomodar 10,000 transístores eletroquímicos orgânicos em 1 centímetro quadrado.

“Como cientistas da computação, estamos habituados a pensar no peso de uma rede neural como apenas um número”, disse Zixuan Zhao, pós-graduando na UChicago e coautor principal do estudo.

“No hardware, isso é um material com variabilidade, histórico e limites físicos. O desafio foi manter essas restrições em mente e, ainda assim, computar com precisão suficiente para fazer diferença.”

Testando o adesivo cutâneo com dados do coração

Para verificar se o sistema do adesivo cutâneo daria conta de tarefas médicas reais, os pesquisadores treinaram o dispositivo com dados de mapeamento cardíaco de um coração humano doado.

O adesivo conseguiu identificar frentes de onda elétricas perigosas com 99.6 percent de precisão. O mais notável é que ele continuou a funcionar mesmo quando foi esticado para mais de 1.5 vez do seu comprimento normal.

Os pesquisadores também avaliaram uma rede neural separada, desenhada para analisar, em conjunto, várias medições de saúde.

O sistema considerou níveis de colesterol, glicemia, leituras de ECG e frequência cardíaca máxima para estimar o risco de ataque cardíaco de uma pessoa. Esse modelo alcançou 83.5 percent de precisão.

Soluções vestíveis de IA como essas viraram um foco importante na medicina. Pesquisadores em todo o mundo procuram tirar a monitorização de saúde do ambiente hospitalar e levá-la para um cuidado contínuo, em tempo real.

Processamento mais rápido pode beneficiar pacientes com doenças cardíacas, diabetes, distúrbios neurológicos e até na recuperação após cirurgias.

Um futuro além dos relógios inteligentes

A equipa não pretende parar num único adesivo cutâneo voltado a processar sinais cardíacos e indicadores de saúde. O próximo passo é integrar o sistema de computação a ferramentas de comunicação sem fio esticáveis e a sensores melhores.

Assim, o dispositivo integrado poderia detectar, analisar e responder por conta própria.

Com o tempo, isso pode abrir caminho para sistemas vestíveis que reajam imediatamente quando o corpo mostrar sinais de que algo não vai bem.

“Em vez de enviar os dados para um servidor remoto, podemos começar a dar sentido a eles exatamente onde a vida está a acontecer”, disse Fangfang Xia, cientista da computação no Argonne National Laboratory e coautora sênior do estudo.