Novo adesivo de pele com IA da Universidade de Chicago e do Laboratório Nacional de Argonne analisa dados médicos em milissegundos

Um novo adesivo cutâneo com IA pode levar a tecnologia de saúde vestível muito além de contar passos e acompanhar o sono.

O dispositivo, elástico e feito para ficar em contacto direto com a pele, consegue interpretar dados de saúde com inteligência artificial em tempo real - sem precisar enviar primeiro as informações para um servidor remoto.

Essa rapidez talvez não faça diferença quando alguém consulta estatísticas de treino depois de uma corrida. Mas faz toda a diferença quando o coração, de repente, entra num ritmo perigoso que pode tornar-se fatal em questão de segundos.

Agora, investigadores desenvolveram um adesivo com “pele” eletrónica que processa dados médicos diretamente no corpo em apenas milissegundos. A película fina dobra e estica como a pele humana e, ao mesmo tempo, executa cálculos de IA quase de imediato.

Segundo os cientistas, com o tempo essa abordagem pode permitir que dispositivos vestíveis e até implantáveis respondam a emergências médicas, em vez de apenas as registar.

O estudo é de uma equipa da Universidade de Chicago (UChicago) e do Laboratório Nacional de Argonne.

Milissegundos importam na medicina

A maioria dos dispositivos inteligentes atuais não “pensa” de verdade por conta própria. Eles recolhem dados e depois enviam tudo por ligação sem fios para outro computador ou para a nuvem, onde ocorre a análise. Esse caminho cria um pequeno atraso.

Em muitas situações, essa demora é irrelevante. Em outras, pode transformar-se num risco.

Um exemplo importante é a fibrilação ventricular, uma perturbação elétrica caótica no coração. Nessa condição, o coração deixa de bombear sangue de forma eficaz. Os médicos costumam tratá-la com um choque de desfibrilador, que atinge o coração inteiro.

Há muito tempo, a ciência investiga uma alternativa mais direcionada. Em vez de aplicar um choque no órgão todo, seria possível acompanhar as ondas elétricas anómalas e interrompê-las com impulsos menores, aplicados em pontos específicos.

O obstáculo sempre foi a velocidade. As frentes de onda elétrica deslocam-se pelo coração tão rapidamente que o sistema teria apenas milissegundos para agir.

"Esta é uma situação em que não é viável ter computação remota. Simplesmente demora demais", disse o coautor sénior do estudo, Sihong Wang, professor associado de engenharia molecular na UChicago.

"Mas, se você tiver um dispositivo de computação que consiga fazer a análise dentro do corpo, isso pode ser possível."

Fazer a eletrónica esticar como a pele

Criar um computador que acompanhe os movimentos do corpo não é simples. Chips tradicionais são rígidos e frágeis. Já a pele humana dobra, torce e estica o tempo todo.

Há anos, o laboratório de Wang trabalha em eletrónica que se comporta mais como tecido vivo. Projetos anteriores do grupo incluíram matrizes de transístores esticáveis e ecrãs OLED flexíveis.

O novo adesivo avança mais um passo ao unir elasticidade com computação neuromórfica. Ou seja: o sistema processa informação de um modo vagamente inspirado em como o cérebro lida com sinais.

O dispositivo usa componentes chamados transístores eletroquímicos orgânicos. Diferentemente dos transístores de silício dos computadores convencionais, esses elementos combinam eletricidade e iões a mover-se através de um material semelhante a um gel.

Essa arquitetura permite que cada transístor mantenha estados parecidos com memória - de forma análoga a como sinapses do cérebro se fortalecem ou enfraquecem ao longo do tempo.

Resolver o desafio de fabrico

A proposta parecia promissora, mas produzir os dispositivos virou um desafio sério.

Os materiais flexíveis não suportavam o calor e os químicos usados na fabricação padrão de chips. Além disso, as camadas de gel tendiam a espalhar-se como um líquido, fazendo com que componentes vizinhos se juntassem e entrassem em curto-circuito.

"O que tivemos de nos perguntar foi se poderíamos usar ou mudar as propriedades desses polímeros para torná-los compatíveis com a fotolitografia, o principal método de padronização usado na indústria de microeletrónica", afirmou Wang.

A equipa contornou o problema ao desenvolver um novo gel polimérico que endurece em formas precisas quando exposto à luz ultravioleta.

Com isso, foi possível criar um método de produção capaz de acomodar 10,000 transístores eletroquímicos orgânicos num único centímetro quadrado.

"Como cientistas da computação, estamos habituados a pensar no peso de uma rede neural como apenas um número", disse Zixuan Zhao, estudante de pós-graduação na UChicago e co-primeiro autor do estudo.

"No hardware, é um material com variabilidade, histórico e limites físicos. O desafio foi manter essas restrições em mente e ainda assim computar com precisão suficiente para fazer diferença."

Testes do adesivo cutâneo com dados do coração

Para verificar se o sistema em forma de adesivo conseguiria lidar com tarefas médicas reais, os investigadores treinaram o dispositivo com dados de mapeamento cardíaco de um coração humano doado.

O adesivo conseguiu identificar frentes de onda elétrica perigosas com 99.6 por cento de precisão. Mais impressionante ainda: continuou a funcionar mesmo esticado para mais de uma vez e meia o seu comprimento normal.

A equipa também avaliou uma rede neural separada, projetada para analisar em conjunto várias medições de saúde.

Nesse caso, o sistema analisou níveis de colesterol, glicemia, leituras de ECG e frequência cardíaca máxima para estimar o risco de enfarte de uma pessoa. Esse modelo atingiu 83.5 por cento de precisão.

Sistemas de IA vestível como esses tornaram-se um grande foco na medicina. Investigadores no mundo todo tentam tirar a monitorização da saúde do ambiente hospitalar e levá-la para um cuidado contínuo e em tempo real.

Processamento mais rápido pode ajudar pacientes com doenças cardíacas, diabetes, distúrbios neurológicos e até na recuperação após cirurgias.

Um futuro além dos smartwatches

Os investigadores não pretendem ficar num único adesivo de pele voltado a processar sinais cardíacos e outros indicadores de saúde. O próximo passo é integrar o sistema de computação com ferramentas de comunicação sem fios esticáveis e sensores melhores.

Com essa integração, o dispositivo poderia sentir, interpretar e reagir por conta própria.

Isso pode abrir caminho para sistemas vestíveis que atuem imediatamente quando o corpo der sinais de problema.

"Em vez de enviar os dados para um servidor remoto, podemos começar a dar sentido a eles exatamente onde a vida está a acontecer", disse Fangfang Xia, cientista da computação no Laboratório Nacional de Argonne e coautora sénior do estudo.