Chips macios e eletrónica neuromórfica levam a eletrónica flexível ao corpo

A maior parte do que se vende como eletrónica flexível ainda depende de um truque de engenharia. Por dentro, continua a existir um chip de silício rígido preso a uma lâmina de plástico maleável. Ao dobrar o conjunto, o chip apenas “vai junto”, sem se alterar de facto.

Agora começa a ganhar forma uma categoria diferente, que elimina o componente rígido por completo.

Nessa abordagem, os dispositivos são macios do início ao fim: conseguem esticar e, ao mesmo tempo, processar informação de um modo mais parecido com o cérebro. Uma nova revisão descreve até onde essa ideia já foi levada.

Por que a eletrónica tem dificuldade dentro do corpo

O problema nunca foi a capacidade de “pensar” das máquinas. A IA moderna já pode superar pessoas a interpretar um exame médico ou a reconhecer um rosto. O que costuma falhar, de forma lenta e previsível, é colocar essa inteligência a funcionar em contacto direto com o corpo.

Tecidos humanos são moles e estão sempre em movimento; chips de silício, por outro lado, são duros e planos. Quando um chip rígido é pressionado contra um coração a bater ou um joelho em flexão, ele irrita o tecido, começa a descolar e, com o tempo, deixa de funcionar.

Tianda Fu, coautor principal na University of Chicago (UChicago), trabalhou com colegas numa nova revisão sobre o tema.

A proposta apresentada passa por refazer o hardware desde a base, substituindo peças inflexíveis por materiais que se deformam por conta própria.

Eletrónica inspirada no cérebro

Esses chips macios fazem parte de uma família chamada eletrónica neuromórfica: hardware inspirado no cérebro que abandona a ideia de forçar eletrões a atravessar fios metálicos.

Em vez disso, a eletrónica flexível recorre à mesma química em que o cérebro opera, na qual partículas carregadas e eletrões se deslocam em conjunto para transportar sinais.

Cada componente ativo tende a comportar-se como uma esponja microscópica - absorvendo partículas carregadas e depois libertando-as, o que altera a facilidade com que a eletricidade atravessa o material.

Essa variação permite que um único transistor macio - um comutador eletrónico microscópico - imite a plasticidade sináptica, isto é, a forma como neurónios reforçam ou enfraquecem as suas ligações à medida que aprendem.

Durante anos, investigadores conseguiram, em laboratório, fazer dispositivos isolados comportarem-se como células cerebrais. Um estudo chegou a mostrar um transistor macio a aprender a associar dois sinais. O passo mais difícil, porém, era manter esse comportamento enquanto o dispositivo era esticado.

Chips flexíveis resistem ao movimento

Materiais mais recentes levaram esses componentes a um limite surpreendente: conseguem esticar até 140 percent do seu comprimento em repouso sem partir. A pele humana rasga bem antes disso, o que faz com que a eletrónica suporte os movimentos diários de um cotovelo ou de um joelho.

Parte do segredo está na composição. Polímeros com comportamento borrachoso e ionogéis - géis elásticos que conduzem eletricidade - mantêm a forma ao mesmo tempo que deixam partículas carregadas deslizar pelo seu interior. Eles entram no lugar de metais e vidros frágeis, que estalam quando submetidos a tensão.

Como os materiais se dobram por si próprios, o dispositivo consegue adaptar-se a superfícies curvas em vez de “lutar” contra elas. Um adesivo pode acompanhar o pulso ou envolver um músculo e continuar a computar em cada flexão.

Computação com gasto mínimo de energia

Por funcionar com base em química, e não em força elétrica bruta, a necessidade de energia permanece baixa. Alguns desses dispositivos conseguem separar batimentos cardíacos normais de batimentos perigosos consumindo menos de half a volt.

Isso representa apenas uma fração do que fornece uma pilha AA. Com tão pouca energia, a eletrónica tende a manter-se fria e suave o suficiente para ficar encostada a um órgão vivo durante longos períodos, sem o “agredir” com choques.

O interesse por análise local vem a impulsionar esta área há anos. Num estudo anterior, foi construído um dispositivo esticável que processava dados de saúde diretamente no corpo - sem servidor e sem ligação sem fios.

Impressão de dispositivos inteligentes flexíveis

A mudança também atinge a forma de fabricar. Em vez de colar sensores rígidos sobre um suporte maleável, é possível imprimir uma única folha elástica na qual deteção, memória e processamento coexistem.

Isso abre espaço para “peles eletrónicas” flexíveis que percebem toque e pressão e para membros robóticos macios capazes de interpretar o próprio movimento. Cada sistema reage no local, sem precisar enviar dados a um computador volumoso para obter uma resposta.

A ciência dos materiais avançou depressa, e uma revisão recente acompanhou como pequenos ajustes nos polímeros mudam o que um dispositivo é capaz de fazer. Ao escolher a mistura certa, algo que parecia apenas uma curiosidade de laboratório pode tornar-se realmente utilizável no corpo.

O problema da memória

Apesar dos avanços, há um obstáculo concreto entre esses chips e o uso clínico. Componentes de memória macios tendem a “esquecer” quase imediatamente depois que o sinal para, o que os torna inadequados para guardar informação por longos períodos.

Para contornar isso, engenheiros colocam a memória duradoura em pequenas “ilhas” rígidas, protegidas do estiramento. Fios enrolados e com efeito de mola ligam essas ilhas, permitindo que a folha inteira continue a dobrar. No fim, o conjunto fica rígido onde é necessário e macio em todo o resto.

Ao combinar esse desenho com materiais estáveis e não tóxicos, a área ganha um caminho claro adiante. Isso separa protótipos de demonstração de algo que, de facto, poderia aguentar anos dentro de um corpo.

Levar a eletrónica flexível para a medicina

Até há pouco tempo, a promessa de uma computação macia e “cerebral” que sobrevivesse a estiramentos reais estava mais no papel do que na prática. Um dispositivo após outro tinha êxito no laboratório, mas não se sustentava em aplicações do mundo real.

O trabalho mais recente, porém, já reúne exemplos documentados - e não apenas hipotéticos - de dispositivos que chegam a 140 percent do comprimento em repouso, funcionam com uma fração de half a volt e conseguem ler um batimento cardíaco diretamente no corpo.

Se o problema da memória for resolvido, médicos poderão oferecer monitores sobre a pele que sinalizem arritmias perigosas em tempo real, enquanto próteses começam a perceber o toque.

Com hardware que se move como o corpo, a área finalmente pode perseguir esses usos de forma mais realista.

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