Electrónica flexível neuromórfica: chips macios inspirados no cérebro para a medicina

Até a chamada electrónica flexível é, na maioria dos casos, um artifício. No interior continua a haver chips de silício rígido, presos a uma folha de plástico maleável. Dobre-se a folha e o chip limita-se a acompanhar o movimento, sem mudar em nada.

Está agora a ganhar forma uma nova categoria que dispensa por completo o chip rígido.

Nestes dispositivos, tudo é macio: esticam e processam informação de um modo mais próximo do cérebro. Uma nova revisão descreve até onde esta ideia já foi levada.

Porque é que a electrónica falha dentro do corpo

O problema nunca foi a “inteligência” das máquinas. A IA moderna pode superar pessoas a interpretar um exame médico ou a reconhecer um rosto. É no corpo humano que essa inteligência tropeça - e fá-lo de forma lenta e previsível.

O tecido humano é macio e está sempre em movimento; já os chips de silício são duros e planos. Encostar um chip rígido a um coração a bater ou a um joelho em flexão acaba por irritar o tecido, levar o dispositivo a descolar e, com o tempo, fazê-lo deixar de funcionar.

Tianda Fu, co-primeiro autor na Universidade de Chicago (UChicago), trabalhou com colegas numa nova revisão sobre este campo.

A proposta passa por reconstruir o hardware desde o início, substituindo peças rígidas por materiais que se dobram e esticam por si próprios.

Electrónica inspirada no cérebro

Estes chips macios integram a classe da electrónica neuromórfica: hardware inspirado no cérebro que abandona a ideia de forçar electrões a atravessar fios metálicos.

Em vez disso, a electrónica flexível recorre à mesma química em que o cérebro assenta, em que partículas carregadas e electrões se deslocam em conjunto para transportar sinais.

Cada elemento activo parece comportar-se como uma esponja microscópica - absorve partículas carregadas e depois liberta-as, ajustando assim a facilidade com que a electricidade se move no material.

Essa variação permite que um único transístor macio - um interruptor electrónico microscópico - imite a plasticidade sináptica, isto é, a forma como as células cerebrais reforçam ou enfraquecem ligações à medida que aprendem.

Durante anos, investigadores conseguiram que dispositivos isolados, em laboratório, actuassem como células cerebrais, e um estudo mostrou um transístor macio a aprender a associar dois sinais. O desafio mais difícil era manter esse comportamento enquanto o dispositivo era esticado.

Chips flexíveis que resistem ao movimento

Materiais recentes levaram estas peças a um limite surpreendente: conseguem esticar até 140 percent do seu comprimento em repouso sem se romperem. A pele humana rasga-se bem antes disso, o que significa que a electrónica aguenta os movimentos quotidianos de um cotovelo ou de um joelho.

Parte do segredo está na composição. Polímeros tipo borracha e ionogéis - géis extensíveis que conduzem electricidade - mantêm a forma ao mesmo tempo que deixam as partículas carregadas deslizar. Assim, substituem metal e vidro frágeis, que estalam quando sujeitos a deformação.

Como estes materiais cedem por si próprios, o dispositivo consegue adaptar-se a superfícies curvas em vez de as “combater”. Um adesivo pode acompanhar um pulso ou envolver um músculo e continuar a fazer computação a cada dobra.

Computação com consumo mínimo de energia

Ao funcionarem com química, e não com força eléctrica bruta, a necessidade de energia mantém-se baixa. Alguns destes dispositivos distinguem batimentos cardíacos normais de batimentos perigosos consumindo menos de meio volt.

Isto representa apenas uma fracção do que fornece uma pilha AA. Ajuda a manter a electrónica fria e suficientemente suave para ficar junto de um órgão vivo durante longos períodos, sem o “chocar”.

A atracção da análise local tem impulsionado o sector há anos. Um estudo anterior criou um dispositivo extensível que processava dados de saúde directamente no corpo - sem servidor e sem ligação sem fios.

Impressão de dispositivos inteligentes flexíveis

A mudança estende-se até ao fabrico. Em vez de colar sensores rígidos a um suporte maleável, torna-se possível imprimir uma única folha extensível em que detecção, memória e processamento coexistem.

Isto abre caminho a peles electrónicas flexíveis que percebem toque e pressão, e a membros robóticos macios capazes de ler o próprio movimento. Em cada caso, a resposta acontece no local, sem depender de um computador volumoso para decidir.

A ciência dos materiais tem avançado depressa, e uma revisão recente acompanhou como pequenas alterações nos polímeros transformam o que um dispositivo consegue fazer. Escolher a mistura certa pode converter uma curiosidade de laboratório em algo verdadeiramente vestível.

O problema da memória

Apesar do progresso, há um obstáculo real entre estes chips e a clínica. Os componentes de memória macios tendem a “esquecer” quase assim que o sinal termina, o que os torna inadequados para armazenar informação a longo prazo.

Para contornar isso, engenheiros colocam a memória duradoura em pequenas ilhas rígidas, protegidas do estiramento. Fios enrolados e elásticos ligam essas ilhas, permitindo que toda a folha continue a dobrar. O resultado é rígido onde é necessário e macio em todo o resto.

Ao combinar esse desenho com materiais não tóxicos e estáveis, o campo ganha um rumo claro. Ajuda a separar protótipos de demonstração de algo que poderia, de facto, resistir dentro do corpo durante anos.

Levar a electrónica flexível para a medicina

Até há pouco tempo, a computação macia e “cerebral”, capaz de sobreviver a estiramentos reais, era sobretudo uma promessa no papel. Dispositivo após dispositivo funcionava no laboratório e ficava aquém em aplicações no mundo real.

O trabalho mais recente já apresenta dispositivos que dobram até 140 percent do comprimento em repouso, operam com uma fracção de um volt e conseguem ler um batimento cardíaco no corpo. Esta combinação está agora documentada, e não apenas teorizada.

Se os investigadores resolverem o problema da memória, os médicos poderão disponibilizar monitores na pele que assinalem arritmias perigosas em tempo real, enquanto as próteses começam a detectar o toque.

O sector pode finalmente perseguir estas utilizações com hardware que se move como o corpo.