Sensor en papel allana el camino para sensores portátiles para monitoreo de la salud

Los sensores portátiles de inteligencia artificial (IA) que poseen capacidades sensoriales y cognitivas están atrayendo un gran interés en el monitoreo de la salud. El desarrollo de sensores de IA autoalimentados que funcionen de manera eficiente y tengan un consumo de energía similar al del cerebro humano es esencial. La computación de reservorio físico (PRC), que emplea fenómenos físicos para imitar funciones cerebrales, proporciona una solución para una arquitectura energéticamente eficiente. Sin embargo, el desarrollo de sensores flexibles y desechables que utilicen PRC y que puedan procesar señales ópticas con tiempos de respuesta inferiores a un segundo para aplicaciones biológicas sigue siendo un desafío. Los investigadores han desarrollado dispositivos optoelectrónicos desechables y flexibles basados en papel que utilizan nanopartículas de nanocelulosa y óxido de zinc (ZnO) para aplicaciones de PRC.

Este sensor flexible basado en papel desarrollado por investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS, Tokio, Japón) funciona de manera similar al cerebro humano, donde la información se transfiere a través de una red de neuronas a través de sinapsis. La capacidad de cada neurona para procesar información de forma independiente permite el manejo simultáneo de múltiples tareas, lo que hace que el cerebro sea más eficiente que los sistemas computacionales convencionales. Para imitar esta capacidad, los investigadores diseñaron un dispositivo fotoelectrónico de sinapsis artificial compuesto de electrodos de oro encima de una película transparente de 10 µm compuesta de nanopartículas de ZnO y nanofibras de celulosa (CNF). La película transparente permite el paso de la luz, lo que le permite manejar señales de entrada ópticas que representan diversa información biológica. Además, las nanofibras de celulosa imparten flexibilidad a la película y pueden eliminarse fácilmente mediante incineración. Además, las nanopartículas de ZnO son fotorresponsivas y generan una fotocorriente tras la exposición a luz ultravioleta pulsada y un voltaje constante. Esta fotocorriente imita las respuestas transmitidas por sinapsis en el cerebro humano, permitiendo al dispositivo interpretar y procesar información biológica recibida de sensores ópticos.

Sorprendentemente, el dispositivo puede diferenciar entre pulsos ópticos de entrada de 4 bits y producir corrientes únicas en respuesta a entradas ópticas de series temporales, con tiempos de respuesta inferiores a segundos, esenciales para monitorear las señales de salud. Además, cuando se expuso a dos pulsos de luz sucesivos, la respuesta de la corriente eléctrica fue más fuerte para el segundo pulso. Esta característica, conocida como facilitación pospotenciación, ayuda en los procesos de memoria a corto plazo en el cerebro y mejora el reconocimiento de patrones. Los investigadores probaron esto convirtiendo imágenes MNIST, un conjunto de datos de dígitos escritos a mano, en pulsos ópticos de 4 bits y luego irradiando la película con estos pulsos y midiendo la respuestade la corriente. Utilizando estos datos como entrada, una red neuronal reconoció números escritos a mano con un 88% de precisión. Los investigadores también confirmaron la durabilidad del dispositivo realizando repetidas pruebas de flexión y estiramiento, y no encontraron pérdida en la capacidad de reconocimiento incluso después de 1.000 ciclos, demostrando así su resiliencia y potencial para uso repetido en aplicaciones de monitoreo de salud.

"Se desarrolló un dispositivo sináptico optoelectrónico basado en papel compuesto de nanocelulosa y ZnO para realizar la computación de reservorios físicos", dijo el profesor asociado de TUS Takashi Ikuno, quien dirigió el estudio. "Este dispositivo muestra comportamiento sináptico y tareas cognitivas en un plazo adecuado para el monitoreo de la salud".

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