Adesivo cutâneo com IA em tempo real pode transformar a tecnologia vestível de saúde

Pesquisadores da Universidade de Chicago e do Laboratório Nacional de Argonne desenvolveram um adesivo cutâneo com inteligência artificial que pode levar a tecnologia vestível de saúde muito além de contar passos e monitorizar o sono.

O dispositivo, fino e elástico, foi pensado para ficar em contacto direto com a pele e interpretar sinais de saúde em tempo real com IA - sem precisar, antes, enviar as informações para um servidor remoto.

Numa análise de treino feita depois de uma corrida, alguns instantes de atraso pouco importam. Já quando o coração entra de repente num ritmo perigoso, esses instantes podem fazer toda a diferença - porque a situação pode tornar-se fatal em segundos.

Agora, a equipa criou um adesivo “tipo pele” capaz de tratar dados médicos no próprio corpo em poucos milissegundos. Mesmo sendo muito fino, ele dobra e estica como a pele humana e executa cálculos de IA quase de imediato.

Segundo os cientistas, essa abordagem pode, no futuro, permitir que dispositivos vestíveis e implantáveis ajam diante de emergências médicas, em vez de apenas registá-las.

Milissegundos importam na medicina

A maioria dos dispositivos inteligentes atuais não “pensa” de forma autónoma. Em geral, eles apenas recolhem dados e os enviam por via sem fios para outro computador - frequentemente um servidor em nuvem - para que a análise seja feita. Esse caminho introduz um pequeno atraso.

Em muitos cenários, essa demora é irrelevante. Em outros, pode tornar-se um risco.

Um exemplo crítico é a fibrilação ventricular, uma perturbação elétrica caótica no coração. Nessa condição, o órgão deixa de bombear sangue de maneira eficaz. Para tratar, médicos costumam aplicar um choque de desfibrilador que atinge o coração inteiro.

Há muito tempo, cientistas investigam uma alternativa mais direcionada: em vez de chocar todo o coração, seria possível acompanhar as ondas elétricas anormais e interrompê-las com impulsos menores aplicados em pontos específicos.

O obstáculo sempre foi a velocidade. As frentes de onda elétricas atravessam o coração tão depressa que o sistema tem apenas milissegundos para detetar e reagir.

“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 Universidade de Chicago.

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

Fazendo a eletrónica esticar como a pele

Criar um computador que acompanhe os movimentos do corpo não é trivial. Chips tradicionais são rígidos e frágeis, enquanto 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 transistores esticáveis e ecrãs OLED flexíveis.

O novo adesivo avança um passo ao unir elasticidade com computação neuromórfica - ou seja, um modo de processamento inspirado, de forma geral, na maneira como o cérebro lida com sinais.

Para isso, o dispositivo recorre a componentes chamados transistores eletroquímicos orgânicos. Diferentemente dos transistores de silício comuns em computadores convencionais, esses elementos usam simultaneamente eletricidade e iões a deslocarem-se através de um material semelhante a gel.

Essa configuração permite que cada transistor mantenha estados parecidos com memória, de modo análogo ao fortalecimento ou enfraquecimento de sinapses no cérebro ao longo do tempo.

Superando o desafio de fabrico

A proposta parecia promissora, mas a fabricação revelou-se um entrave sério.

Os materiais flexíveis não suportavam o calor e os químicos típicos da produção padrão de chips. Além disso, as camadas de gel tendiam a espalhar-se como um líquido, fazendo com que componentes próximos se juntassem e provocassem curto-circuitos.

“O que precisávamos perguntar era se conseguiríamos usar ou alterar 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 resolveu o problema ao criar um novo gel polimérico que endurece em formas precisas quando exposto à luz ultravioleta.

Com isso, chegou-se a um método de produção que consegue acomodar 10,000 transistores eletroquímicos orgânicos em 1 cm².

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

“Em hardware, isso é um material com variabilidade, história e limites físicos. O desafio foi manter essas restrições em mente e, ainda assim, computar com precisão suficiente para fazer diferença.”

Testando o adesivo cutâneo com dados do coração

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

O adesivo identificou com sucesso frentes de onda elétricas perigosas com 99.6 percent de precisão. Mais impressionante: ele continuou a funcionar mesmo esticado para mais de uma vez e meia o seu comprimento normal.

Os cientistas também testaram uma segunda rede neural, desenhada para avaliar em conjunto várias medições de saúde.

O sistema analisou níveis de colesterol, glicose no sangue, leituras de ECG e frequência cardíaca máxima para estimar o risco de uma pessoa sofrer um ataque cardíaco. Esse modelo atingiu 83.5 percent de precisão.

Soluções vestíveis com IA desse tipo tornaram-se um foco central na medicina. Em todo o mundo, grupos de pesquisa tentam tirar a monitorização de saúde do ambiente hospitalar e levá-la para um cuidado contínuo e em tempo real.

Processamento mais rápido pode beneficiar pacientes com doença cardíaca, diabetes, distúrbios neurológicos e até na recuperação após cirurgias.

Um futuro além dos relógios inteligentes

Os investigadores não pretendem limitar-se a um único adesivo cutâneo voltado a processar sinais cardíacos e outros indicadores de saúde. O próximo passo é integrar o sistema de computação a ferramentas sem fios esticáveis e a sensores mais avançados.

Com essa integração, o dispositivo passaria a conseguir detetar, analisar e responder por conta própria.

Isso pode abrir caminho, mais adiante, para sistemas vestíveis que reajam imediatamente quando o corpo apresentar sinais de perigo.

“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.