Kertakäyttöiset tekoälyanturit terveyden seurantaan

Tokyo University of Sciencen tutkijat apulaisprofessori Takashi Ikunon johdolla ovat kehittäneet joustavan paperipohjaisen anturin, joka tasoittaa tietä itsenäisille energiatehokkaille tekoälypohjaisille terveyden seurantalaitteille.

"Paperipohjainen optoelektroninen synaptinen laite, joka koostuu nanoselluloosasta ja ZnO:sta, kehitettiin fyysisen säilölaskennan toteuttamiseen. Tämä laite osoittaa synaptista käyttäytymistä ja kognitiivisia tehtäviä sopivalla ajoitusrakenteella terveyden seurantaan", sanoo tohtori Ikuno.

Ihmisen aivoissa informaatio kulkee neurosolujen verkostojen välillä synapsien kautta. Jokainen neuroni pystyy käsittelemään informaatiota itsekseen, jolloin aivot voivat käsitellä useita tehtäviä samanaikaisesti.

Tämä rinnakkaisen prosessoinnin kyky tekee aivoista paljon tehokkaampia perinteisiin tietokonejärjestelmiin verrattuna.

Tämän ominaisuuden jäljittelemiseksi tutkijat valmistivat fotoelektronisen keinotekoisen synapsilaitteen, joka koostui kultaelektrodeista 10 µm:n läpinäkyvän kalvon päällä, joka koostuu sinkkioksidin (ZnO) nanohiukkasista ja selluloosan nanokuiduista.

Läpinäkyvä kalvo palvelee kolmea päätarkoitusta. Ensinnäkin se päästää valon läpi, jolloin se pystyy käsittelemään erilaisiabiologista informaatiota edustavia optisia tulosignaaleja. Toiseksi selluloosan nanokuidut antavat joustavuutta ja ne voidaan helposti hävittää polttamalla. Kolmanneksi ZnO-nanohiukkaset ovat valoherkkiä ja synnyttävät valovirtaa, kun ne altistetaan pulssi-UV-valolle ja jatkuvalle jännitteelle. Tämä valovirta jäljittelee synapsin välittämiä vasteita ihmisaivoissa, jolloin laite voi tulkita ja käsitellä optisista antureista saatua biologista informaatiota.

On huomattava, että kalvo pystyi erottamaan 4-bittiset optiset tulopulssit ja tuottamaan erillisiä virtoja vasteena aikasarjan optiseen tuloon nopealla vasteajalla, joka on alle sekuntien luokkaa. Lisäksi, kun se altistettiin kahdelle peräkkäiselle valopulssille, sähkövirran vaste oli vahvempi toiselle pulssille. Tämä käyttäytyminen edistää lyhytaikaisiamuistiprosesseja aivoissa ja parantaa synapsien kykyä havaita tuttuja malleja ja reagoida niihin.

Tämän testaamiseksi tutkijat muunsivat MNIST-kuvat, käsin kirjoitettujen numeroiden tietojoukon, 4-bittisiksi optisiksi pulsseiksi. Sitten he säteilyttivät kalvon näillä pulsseilla ja mittasivat virran vasteen. Käyttämällä näitä tietoja syötteenä neuroverkko pystyi tunnistamaan käsin kirjoitetut numerot 88 %:n tarkkuudella.

Tämä käsin kirjoitettujen numeroiden tunnistuskyky säilyi ennallaan, vaikka laitetta taivutettiin ja venytettiin toistuvasti jopa 1000 kertaa, mikä osoittaa sen kestävyyden ja soveltuvuuden toistuvaan käyttöön.

"Tämä tutkimus korostaa puolijohteisten nanohiukkasten upottamista joustaviin CNF-kalvoihin käytettäväksi joustavina synaptisina laitteina fyysisessä säilölaskennassa", tohtori Ikuno päättää.

Toivokaamme, että nämä edistysaskeleet tasoittavat tietä puetettaville antureille terveyden seurantasovelluksissa!

Aiheesta aiemmin:

Spektrometrit kutistuvat

Ioninen nestepohjainen säilölaskenta