Rede de sensores imita funcionamento do cérebro

Pesquisadores da Brown University, nos Estados Unidos, apresentaram uma rede de sensores projetada para que seus chips possam ser implantados no corpo ou integrados em dispositivos vestíveis. A rede de comunicação pode transmitir, receber e decodificar dados com eficiência.

Segundo o estudo, cada sensor de tamanho submilimétrico imita os neurônios do cérebro e se comunica por meio de picos de atividade elétrica. Pode detectar eventos específicos e transmitir dados em tempo real usando ondas de rádio. Os eventos que os sensores identificam e transmitem podem ser ocorrências específicas, como mudanças no ambiente que estão monitorando, tais como flutuações de temperatura ou a presença de determinadas substâncias.

“Nosso cérebro funciona de forma muito esparsa. Os neurônios não disparam energia o tempo todo. Compactam informações e as distribuem de forma esparsa, o que os torna muito eficientes. Estamos imitando essa estrutura em nossa abordagem de telecomunicação sem fio”, explica Jihun Lee, pesquisador de pós-doutorado na Brown University e principal autor do estudo.

De acordo com Lee, os sensores não enviam dados o tempo todo, mas apenas dados relevantes conforme for necessário, como pequenas rajadas de picos elétricos, e são capazes de fazê-lo independentemente dos outros sensores e sem coordenação por um receptor central. Ao fazer isso, é possível economizar energia e não inundar o hub receptor com dados menos importantes.

Os sensores são capazes de usar o mínimo de energia e, além disso, os transceivers externos fornecem energia a eles à medida que transmitem dados. No entanto, isso significa que precisam estar dentro do alcance das ondas enviadas pelos transceivers para serem carregados de energia. Essa capacidade de operar sem a necessidade de estar conectado a uma fonte de energia ou bateria torna os sensores convenientes e mais versáteis para uso em diferentes situações.

Esse esquema de transmissão de radiofrequência também torna o sistema escalável e resolve um problema comum nas atuais redes de comunicação de sensores, a sincronização perfeita para funcionar bem. Os idealizadores dos sensores dizem que esse avanço pode futuramente ajudar a moldar a forma como se coletam e interpretam informações a partir desses chips, especialmente porque sensores estão se tornando omnipresentes.

“Vivemos em um mundo de sensores. Eles estão por toda parte, certamente em nossos automóveis, em muitos locais de trabalho e cada vez mais em nossas casas. O ambiente mais exigente para esses sensores será o interior do nosso corpo humano”, destaca Arto Nurmikko, professor da Escola de Engenharia da Brown University e autor sênior do estudo.

Os pesquisadores acreditam que a solução poderá ajudar a estabelecer as bases para a nova geração de sensores biomédicos implantáveis e vestíveis.

Como foram feitos os testes

A equipe projetou e simulou a eletrônica em um computador e trabalhou em diversas fases de fabricação para produzir os sensores. O trabalho se baseia em pesquisas anteriores do laboratório de Nurmikko na universidade, que introduziu um novo tipo de sistema de interface neural chamado “neurogrãos”.

Foram avaliados a eficiência do sistema e quanto poderia ser ampliado. Nesses testes, foram reunidos 78 sensores em laboratório que se mostraram capazes de coletar e enviar dados com poucos erros, mesmo quando faziam a transmissão em momentos diferentes. Por meio de simulações, foi possível demonstrar como decodificar dados coletados do cérebro de primatas usando cerca de 8 mil sensores hipoteticamente implantados.

O próximo passo é fazer a otimização do sistema para reduzir o consumo de energia e explorar aplicações mais amplas além da neurotecnologia. O trabalho foi divulgado na  Nature Electronics.

Sensores semelhantes à pele

Outro artigo também publicado na Nature recentemente relatou um trabalho da Universidade de Stanford concentrado em eletrônicos elásticos semelhantes à pele realizado há mais de uma década. Agora foi apresentado um novo processo de projeto e fabricação desses circuitos que são cinco vezes menores e operam a velocidades mil vezes mais altas do que as versões anteriores. Os pesquisadores demonstraram que é possível acionar uma tela de micro-LED e detectar uma matriz em Braille de forma mais sensível do que a ponta dos dedos humanos.

O núcleo dos circuitos são transistores extensíveis feitos de semicondutores de nanotubos de carbono e materiais eletrônicos elásticos macios desenvolvidos no laboratório da universidade. Ao contrário do silício, duro e quebradiço, os nanotubos de carbono imprensados entre materiais elásticos têm uma estrutura semelhante a uma rede que lhes permite continuar funcionando quando esticados e deformados.

“São muitos anos de desenvolvimento de materiais e engenharia. Não precisávamos apenas desenvolver novos materiais, mas também o projeto do circuito e o processo de fabricação. Existem muitas camadas empilhadas e, se uma camada não funcionar, temos que reiniciar tudo do zero”, explica Zhenan Bao, professora de engenharia química em Stanford e principal autora do artigo.

Em uma demonstração do novo design eletrônico extensível, foi possível acomodar mais de 2.500 sensores e transistores em um centímetro quadrado, criando um conjunto táctil de matriz ativa 10 vezes mais sensível do que as pontas dos dedos humanos. Os pesquisadores mostraram que o conjunto de sensores pode detectar a localização e a orientação de formas minúsculas ou reconhecer palavras inteiras em Braille.