新型自主皮膚貼片可在身體上直接于毫秒內(nèi)分析心臟信號(hào)。

芝加哥大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種可拉伸的計(jì)算貼片，能夠在身體上直接于毫秒內(nèi)處理健康數(shù)據(jù)，無(wú)需將信息發(fā)送至外部服務(wù)器進(jìn)行分析。

這種仿皮膚裝置利用有機(jī)電化學(xué)晶體管陣列執(zhí)行神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，同時(shí)保持足夠的柔性，可隨人體組織彎曲和拉伸。研究人員表示，這項(xiàng)技術(shù)最終有望驅(qū)動(dòng)更智能的可穿戴和植入式醫(yī)療設(shè)備，使其能夠近乎實(shí)時(shí)地做出決策。

與傳統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌胤教幚淼目纱┐髟O(shè)備不同，新系統(tǒng)在本地分析信息。研究人員認(rèn)為，這在醫(yī)療緊急情況下可能至關(guān)重要，因?yàn)榧词箮酌腌姷难舆t也可能事關(guān)重大。

為展示其能力，團(tuán)隊(duì)使用與心室顫動(dòng)相關(guān)的心臟標(biāo)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試。心室顫動(dòng)是一種危險(xiǎn)的心律紊亂，若不及時(shí)治療可能致命。該可拉伸陣列識(shí)別心臟中異常電波前的準(zhǔn)確率達(dá)到99.6%，即使被拉伸至原始長(zhǎng)度的1.5倍以上時(shí)也是如此。

可拉伸電路取得進(jìn)展

這項(xiàng)工作解決了可穿戴電子設(shè)備的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)：構(gòu)建像人類皮膚一樣可彎曲，但又能保持穩(wěn)定運(yùn)行的計(jì)算硬件。

研究人員使用有機(jī)電化學(xué)晶體管制造該設(shè)備，晶體管利用電流和離子在凝膠狀電解質(zhì)層中移動(dòng)來(lái)處理信號(hào)。電解質(zhì)還賦予晶體管一種類似記憶的特性，使其能夠隨時(shí)間保留信息。

然而，以高密度制造此類系統(tǒng)十分困難，因?yàn)槿彳浀碾娊赓|(zhì)材料會(huì)像液體一樣擴(kuò)散并造成短路。傳統(tǒng)的芯片制造方法也存在損壞柔性表面的風(fēng)險(xiǎn)。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)一種聚合物凝膠解決了這一問(wèn)題，該凝膠在紫外光照射下會(huì)硬化成精確的圖案。這一工藝使在可拉伸表面上制造每平方厘米約1萬(wàn)個(gè)晶體管成為可能。

“我們必須問(wèn)自己，能否利用或改變這些聚合物的特性，使其兼容光刻——微電子行業(yè)使用的主要圖案化方法。”芝加哥大學(xué)分子工程副教授、該研究共同資深作者王思宏（Sihong Wang）說(shuō)。

研究人員表示，該硬件旨在支持神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，即電子系統(tǒng)模擬人腦的某些功能。

更快的心臟數(shù)據(jù)處理

團(tuán)隊(duì)還測(cè)試了嵌入該設(shè)備的一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用個(gè)人健康信息（包括膽固醇水平、血糖、心電圖讀數(shù)和最大心率）來(lái)評(píng)估心臟病發(fā)作風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)在測(cè)試中達(dá)到83.5%的準(zhǔn)確率。

研究人員表示，該技術(shù)最終有望支持那些不僅能感知健康狀況，還能直接在身體上對(duì)其進(jìn)行分析和響應(yīng)的可穿戴系統(tǒng)。

“在這種情況下進(jìn)行遠(yuǎn)程計(jì)算并不可行，因?yàn)楹臅r(shí)太長(zhǎng)了，”王思宏說(shuō)，“但如果有一個(gè)能在體內(nèi)進(jìn)行分析的計(jì)算設(shè)備，就有可能實(shí)現(xiàn)。”

王思宏的團(tuán)隊(duì)目前正致力于將這些計(jì)算陣列與可拉伸的無(wú)線通信系統(tǒng)及改進(jìn)的傳感器相集成，以創(chuàng)建完全連接、身體相容的健康平臺(tái)。

“我們不用再把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，而是可以在生命發(fā)生的地方就地理解數(shù)據(jù)，”阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)科學(xué)家、該研究共同資深作者夏芳芳（Fangfang Xia）說(shuō)道。

該研究發(fā)表于《自然·電子學(xué)》（Nature Electronics）期刊。

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