Energieeffiziente KI-Gesundheitsüberwachung Flexibler Sensor auf Papierbasis funktioniert wie ein menschliches Gehirn

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Forschende an der Tokyo University of Science haben einen Sensor auf Papierbasis entworfen, der nicht nur wie ein menschliches Gehirn funktioniert, sondern auch auf Fragen wie Energieeffizienz, Nachhaltigkeit, Bandbreitenüberlastung und Kommunikationsverzögerungen eine Antwort bietet. Der Sensor hat Potenzial zum Einsatz in der Gesundheitsüberwachung.

KI eröffnet, in den vielfältigsten Anwendungen eingesetzt, Möglichkeiten zur Diagnose und Identifizierung, von denen Forschende und Entwickelnde vor wenigen Jahren oder Jahrzehnten noch nicht einmal zu träumen wagen konnten. Mit Blick auf Medizin und das Gesundheitswesen kann KI helfen, um Krankheiten schneller zu diagnostizieren, personalisierte Behandlungspläne zu erstellen und medizinische Bilder zu analysieren. Fortschritte in der KI ermöglichen die Entdeckung neuer Arzneimittel und präzisere Vorhersagen von Krankheitsverläufen. Nötig ist dafür allerdings eine entsprechende Datenlage, die nicht nur umfangreich, sondern auch aktuell ist.

Künstliche Intelligenz kommt allerdings nicht nur mit Vorteilen. Die Nutzung von KI in und für alle erdenklichen Lebenslagen wirft Fragen hinsichtlich der Energieeffizienz, Nachhaltigkeit, Bandbreitennutzung und Kommunikationszuverlässigkeit auf, wenn sie in großangelegten Anwendungen der Gesundheitsüberwachung zum Einsatz kommt. Schließlich werden bei einer solchen Nutzung stetig große Mengen an kritischen Gesundheitsdaten zur Verarbeitung an zentrale Rechenzentren gesendet.

KI-gestützte Gesundheitsüberwachung mit Hindernissen

Für eine KI-gestützte Gesundheitsüberwachung und biologische Diagnose ist ein eigenständiger Sensor erforderlich, der unabhängig arbeitet und nicht ständig mit einem zentralen Server verbunden sein muss, analysierten Mitglieder der Tokyo University of Science. Der Sensor muss zudem für einen längeren Einsatz einen geringen Stromverbrauch haben, schnell ändernde biologische Signale in Echtzeit verarbeiten, flexibel am menschlichen Körper angebracht werden und, aus hygienischen Gesichtspunkten, einfach hergestellt und entsorgt werden können.

Die Forschenden Komatsu, Nosoda, Tokiwa und Ikuno nahmen sich dieser Aufgabe an und entwickelten einen flexiblen Sensor auf Papierbasis, der wie das menschliche Gehirn funktioniert. Die Ergebnisse ihrer Arbeit können online in der Zeitschrift Advanced Electronic Materials eingesehen werden.

„Ein papierbasiertes optoelektronisches synaptisches Gerät, das aus Nanocellulose und ZnO besteht, wurde entwickelt, um Physical Reservoir Computing zu realisieren. Dieses Gerät zeigt synaptisches Verhalten und kognitive Aufgaben in einer für die Gesundheitsüberwachung geeigneten Zeitskala“, so Dr. Ikuno.

Effizienz wie im menschlichen Gehirn

Im menschlichen Gehirn werden Informationen zwischen Netzwerken von Neuronen über Synapsen übertragen. Jedes Neuron kann Informationen für sich selbst verarbeiten, sodass das Gehirn mehrere Aufgaben gleichzeitig erledigen kann. Diese Fähigkeit zur Parallelverarbeitung macht das Gehirn im Vergleich zu herkömmlichen Computersystemen sehr viel effizienter, insbesondere mit Blick auf den Energieverbrauch.

Um diese Fähigkeit nachzuahmen, stellten die Forschenden eine photoelektronische künstliche Synapse her, die aus Goldelektroden auf einem 10 µm dicken transparenten Film aus Zinkoxid (ZnO)-Nanopartikeln und Zellulose-Nanofasern (CNFs) besteht. Die transparente Folie diene drei Zwecken, erklären die Forschenden. Erstens verarbeitet sie optische Eingangssignale, die verschiedene biologische Informationen darstellen. Zweitens bieten Zellulose-Nanofasern Flexibilität und erleichtern die Entsorgung durch Verbrennung. Drittens erzeugen ZnO-Nanopartikel einen Fotostrom, der ähnliche Reaktionen wie Synapsen im menschlichen Gehirn ermöglicht, um optische Signale zu interpretieren und zu verarbeiten.

Flexible, synaptische Geräte

Der flexible Film zeigte die Fähigkeit, optische 4-Bit-Eingangsimpulse zu unterscheiden und darauf schnell zu reagieren. Diese schnelle Reaktionszeit ist wichtig für die Erkennung plötzlicher Veränderungen in gesundheitsbezogenen Signalen. Überdies verstärkte sich die Reaktion auf den elektrischen Strom bei wiederholten Lichtimpulsen, was zu einem verbesserten Kurzzeitgedächtnisverhalten ähnlich dem im Gehirn beiträgt. Das Gerät konnte handgeschriebene Ziffern auch nach wiederholtem Biegen und Dehnen zuverlässig erkennen, was seine Robustheit und Einsatzfähigkeit unterstreicht.  „Diese Studie unterstreicht das Potenzial der Einbettung von Halbleiter-Nanopartikeln in flexible CNF-Filme für den Einsatz als flexible synaptische Geräte für PRC“, so Dr. Ikuno. (sb)

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