Deze energiekosten vormen een aanzienlijk obstakel, vooral voor het gebruik van AI in grootschalige toepassingen zoals gezondheidsmonitoring, waarbij grote hoeveelheden kritieke gezondheidsinformatie voor verwerking naar gecentraliseerde datacenters worden gestuurd. Dit verbruikt niet alleen veel energie, maar roept ook zorgen op over duurzaamheid, overbelasting van de bandbreedte en vertragingen in de communicatie.

Voor het realiseren van op AI gebaseerde gezondheidsmonitoring en biologische diagnose is een stand-alone sensor nodig die onafhankelijk werkt, zonder de noodzaak van een constante verbinding met een centrale server.

Tegelijkertijd moet de sensor een laag stroomverbruik hebben voor langdurig gebruik, in staat zijn om de snel veranderende biologische signalen te verwerken voor real-time monitoring, flexibel genoeg zijn om zich comfortabel aan het menselijk lichaam te hechten, en gemakkelijk te maken en te gebruiken zijn. weggooien omdat frequente vervangingen om hygiënische redenen nodig zijn.

Op basis van deze criteria hebben onderzoekers van de Tokyo University of Science (TUS), onder leiding van universitair hoofddocent Takashi Ikuno, een flexibele, op papier gebaseerde sensor ontwikkeld die werkt als het menselijk brein. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Advanced Electronic Materials .

"Een op papier gebaseerd opto-elektronisch synaptisch apparaat bestaande uit nanocellulose en ZnO werd ontwikkeld voor het realiseren van fysieke reservoircomputing. Dit apparaat vertoont synaptisch gedrag en cognitieve taken op een geschikt tijdschema voor gezondheidsmonitoring", zegt Dr. Ikuno.

In het menselijk brein reist informatie tussen netwerken van neuronen via synapsen. Elke neuron kan op zichzelf informatie verwerken, waardoor de hersenen meerdere taken tegelijkertijd kunnen uitvoeren. Dit vermogen tot parallelle verwerking maakt de hersenen veel efficiënter vergeleken met traditionele computersystemen.

Om dit vermogen na te bootsen, vervaardigden de onderzoekers een foto-elektronisch kunstmatig synapsapparaat bestaande uit gouden elektroden bovenop een transparante film van 10 µm bestaande uit zinkoxide (ZnO) nanodeeltjes en cellulose nanovezels (CNF's).

De transparante film dient drie hoofddoelen. Ten eerste laat het licht door, waardoor het optische ingangssignalen kan verwerken die verschillende biologische informatie vertegenwoordigen. Ten tweede zorgen de nanovezels van cellulose voor flexibiliteit en kunnen ze gemakkelijk worden verwijderd door verbranding.

Ten derde zijn de ZnO-nanodeeltjes fotoresponsief en genereren ze een fotostroom wanneer ze worden blootgesteld aan gepulseerd UV-licht en een constante spanning. Deze fotostroom bootst de reacties na die worden verzonden door synapsis in het menselijk brein, waardoor het apparaat biologische informatie kan interpreteren en verwerken die wordt ontvangen van optische sensoren.

Met name was de film in staat om 4-bits optische invoerpulsen te onderscheiden en verschillende stromen te genereren als reactie op optische tijdreeksinvoer, met een snelle responstijd in de orde van subseconden. Deze snelle reactie is cruciaal voor het detecteren van plotselinge veranderingen of afwijkingen in gezondheidsgerelateerde signalen.

Bovendien was de elektrische stroomrespons bij blootstelling aan twee opeenvolgende lichtpulsen sterker voor de tweede puls. Dit gedrag, post-potentiatiefacilitatie genoemd, draagt ​​bij aan kortetermijngeheugenprocessen in de hersenen en verbetert het vermogen van synapsen om bekende patronen te detecteren en erop te reageren.

Om dit te testen, hebben de onderzoekers MNIST-afbeeldingen, een dataset van handgeschreven cijfers, omgezet in 4-bit optische pulsen. Vervolgens bestraalden ze de film met deze pulsen en maten ze de huidige respons. Door deze gegevens als invoer te gebruiken, kon een neuraal netwerk handgeschreven cijfers herkennen met een nauwkeurigheid van 88%.

Opmerkelijk genoeg bleef dit vermogen om handgeschreven cijfers te herkennen onaangetast, zelfs als het apparaat herhaaldelijk tot 1000 keer werd gebogen en uitgerekt, wat de robuustheid en haalbaarheid voor herhaald gebruik aantoont. "Deze studie benadrukt het potentieel van het inbedden van halfgeleidernanodeeltjes in flexibele CNF-films voor gebruik als flexibele synaptische apparaten voor PRC", besluit Dr. Ikuno.

Meer informatie: Hiroaki Komatsu et al., Wegwerpbare en flexibele, op papier gebaseerde opto-elektronische synaptische apparaten voor fysieke reservoircomputers, Geavanceerde elektronische materialen (2024). DOI:10.1002/aelm.202300749

Aangeboden door de Tokyo University of Science