- Des chercheurs de l’Université des sciences de Tokyo (TUS) ont mis au point un capteur optoélectronique souple d’intelligence artificielle pour la surveillance de la santé.
- Leurs résultats ont été publiés en ligne dans la revue Advanced Electronic Materials le 22 février 2024.
- Ce capteur à base de papier, qui reproduit le fonctionnement du cerveau humain, ouvre la voie à des dispositifs autonomes et économes en énergie basés sur l’intelligence artificielle destinés à la surveillance de la santé.
Les potentielles applications de l’intelligence artificielle (IA) sont nombreues : créer des images, traiter des données, générer du texte, permettre la conduite autonome des voitures… Cependant, toutes ces applications présentent un coût énergétique très élevé. Par exemple, on estime que l’entraînement du modèle GPT-3 d’Open AI a consommé plus de 1 287 MWh, soit suffisamment pour alimenter un ménage américain moyen pendant 120 ans. Ce coût énergétique constitue un obstacle de taille, en particulier pour l’utilisation de l’IA dans des applications à grande échelle telles que la surveillance de la santé, où de grandes quantités d’informations médiales critiques sont envoyées à des centres de données centralisés pour y être traitées. Non seulement cela entraine une forte consommation d’énergie, mais cela soulève également des problèmes de durabilité, de surcharge de la bande passante et de retards de communication.
La surveillance de la santé et le diagnostic biologique basés sur l’IA nécessitent un capteur autonome qui fonctionne de manière indépendante sans nécessiter d’une connexion constante à un serveur central. Le capteur doit dans le même temps être faiblement consommateur d’énergie pour garantir une utilisation prolongée, être capable de traiter les signaux biologiques changeant rapidement pour assurer une surveillance en temps réel, être suffisamment souple pour se fixer confortablement sur le corps humain, et être facile à fabriquer et à retirer en raison de la nécessité de remplacements fréquents pour des raisons d’hygiène.
« Un composant synaptique optoélectronique à base de papier composé de nanocellulose et d’oxyde de zinc (ZnO) a été mis au point. Il présente un comportement synaptique et des tâches cognitives à une échelle de temps appropriée pour la surveillance de la santé », explique le Dr Takashi Ikuno, professeur associé de l’Université des sciences de Tokyo (TUS).
Dans le cerveau humain, les informations circulent entre les réseaux de neurones par l’intermédiaire des synapses. Chaque neurone peut traiter l’information de manière autonome. Ce qui permet au cerveau de traiter plusieurs tâches en même temps. Cette capacité de traitement parallèle rend le cerveau beaucoup plus efficace que les systèmes informatiques traditionnels. Pour imiter cette capacité, les chercheurs ont fabriqué un dispositif photo-électronique de synapse artificielle composé d’électrodes en or sur un film transparent de 10 µm constitué de nanoparticules d’oxyde de zinc (ZnO) et de nanofibres de cellulose (CNF).
Le film transparent a trois fonctions principales. Premièrement, il laisse passer la lumière, ce qui lui permet de traiter les signaux d’entrée optiques représentant diverses informations biologiques. Deuxièmement, les nanofibres de cellulose confèrent de la flexibilité et peuvent être facilement éliminées par incinération. Troisièmement, les nanoparticules de ZnO sont photoréactives et génèrent un photocourant lorsqu’elles sont exposées à une lumière UV pulsée et à une tension constante. Ce photocourant imite les réponses transmises par les synapses du cerveau humain. Ce qui permet au dispositif d’interpréter et de traiter les informations biologiques reçues des capteurs optiques.
Le film a notamment été capable de distinguer des impulsions optiques de 4 bits et de générer des courants distincts en réponse à des séries temporelles d’entrées optiques, avec un temps de réponse rapide de l’ordre de la subseconde. Cette rapidité de réponse est cruciale pour la détection de changements soudains ou d’anomalies des signaux liés à la santé. En outre, lors de l’exposition à deux impulsions lumineuses successives, la réponse du courant électrique était plus forte pour la deuxième impulsion. Ce comportement, appelé facilitation post-potentielle, contribue aux processus de mémoire à court terme dans le cerveau et renforce la capacité des synapses à détecter et à répondre à des modèles familiers.
Pour tester ce comportement, les chercheurs ont converti les images MNIST, un ensemble de données de chiffres manuscrits, en impulsions optiques de 4 bits. Ils ont ensuite irradié le film avec ces impulsions et mesuré la réponse du courant. À partir de ces données, un réseau neuronal a pu reconnaître des chiffres manuscrits avec une précision de 88 %.
Cette capacité de reconnaissance des chiffres manuscrits n’a d’ailleurs pas été affectée, même lorsque le capteur a été plié et étiré jusqu’à 1 000 fois. Ce qui démontre sa robustesse et la possibilité d’une utilisation répétée. « Cette étude met en évidence le potentiel de l’intégration de nanoparticules semi-conductrices dans des films souples de nanofibres de cellulose en vue de leur utilisation comme dispositifs synaptiques souples pour la PRC », conclut le Dr Ikuno.
