Учёные создают электронику, которая растягивается как кожа и учится как мозг

Человеческие ткани мягки, подвижны и постоянно меняются. Обычная электроника жёсткая и неподатливая. Даже самые совершенные кремниевые чипы не способны долго работать в контакте с бьющимся сердцем, расширяющимися лёгкими или сгибающимися суставами — они раздражают ткани, теряют контакт и выходят из строя. Исследователи избрали противоположный путь: не заставлять тело подстраиваться под электронику, а переделать электронику так, чтобы она вела себя как живая ткань.

Обзор, опубликованный в International Journal of Extreme Manufacturing, описывает новый класс устройств — мягкую нейроморфную электронику. Эти системы объединяют сенсорику, память и вычисления в материалах, способных растягиваться, изгибаться и облегать живые ткани. Они заимствуют принципы работы не только у мозга, но и у его физического взаимодействия с окружающей средой.

В отличие от традиционных цепей, где электроны движутся исключительно по металлическим дорожкам, мягкие нейроморфные устройства используют эластичные полимеры и гелеобразные ионогелевые каналы, проводящие одновременно электроны и ионы. Этот механизм — органическая смешанная ионно-электронная проводимость — гораздо ближе к электрохимической сигнализации нервной системы. Активные материалы способны поглощать и высвобождать ионы из окружающей среды, непрерывно меняя своё внутреннее электрическое состояние. Один мягкий транзистор, построенный по такому принципу, имитирует синаптическую пластичность — биологический процесс, позволяющий нервным клеткам усиливать или ослаблять связи. Сама аппаратура начинает демонстрировать поведение, сходное с механизмами обучения, работающими в мозге.

Некоторые компоненты таких устройств растягиваются до 140 процентов от исходной длины — больше, чем человеческая кожа. Это позволяет им функционировать на самых подвижных участках тела. При этом они потребляют крайне мало энергии. Вместо больших электрических токов они полагаются на эффективные электрохимические процессы и могут выполнять сложные задачи — например, классифицировать сердечные ритмы — при напряжениях ниже 0,5 вольта. Такое низкое рабочее напряжение минимизирует нагрев и электрическое напряжение — два критических фактора для электроники, работающей в непрерывном контакте с живой тканью.

Технология может изменить производство носимых устройств. Вместо того чтобы монтировать жёсткие датчики на гибкие подложки, инженеры смогут печатать интегральные мягкие вычислительные сети, объединяющие сенсорику, память и обработку данных внутри одного растягивающегося материала. Это позволит создавать электронную кожу и мягкие роботизированные конечности, способные интерпретировать прикосновения и движения локально, без постоянной отправки данных на внешний компьютер.

Однако до клинического применения мягкой нейроморфной электроники остаются серьёзные технические препятствия. Главное — удержание памяти. Многие современные мягкие запоминающие устройства быстро теряют сохранённую информацию после того, как сигнал прекращается, что ограничивает их полезность для долгосрочного хранения данных. Для решения этой проблемы исследователи разрабатывают островково-мостовые архитектуры: компоненты постоянной памяти размещают на крошечных жёстких островках, защищённых от механических деформаций, а связывают их высокорастяжимыми спиральными проводниками. Исследователи полагают, что сочетание этих архитектур с химически стабильными нетоксичными материалами может проложить путь к созданию долговечных нейроморфных устройств, способных к долгосрочной интеграции с человеческим телом.