Fot. Elektroniczny „plaster”, źródło: UChicago Pritzker School of Molecular Engineering/John Zich

Podstawę układu stanowią organiczne tranzystory elektrochemiczne. W odróżnieniu od elementów znajdujących się w typowych procesorach ich działanie opiera się zarówno na przepływie elektronów, jak i przemieszczaniu jonów w warstwie elektrolitu. Stan tranzystora może utrzymywać się po ustaniu sygnału elektrycznego. Pozwala to zapisywać dane w tych samych elementach, które wykonują obliczenia, bez ciągłego przesyłania informacji między procesorem a osobną pamięcią. Konstrukcja ta jest układem neuromorficznym, czyli rozwiązaniem wzorowanym na wybranych zasadach działania biologicznych sieci neuronowych. Nie oznacza to jednak, że układ odtwarza złożoność budowy i funkcjonowania mózgu. Podobieństwo polega na tym, że poszczególne elementy mogą zmieniać i zachowywać swój stan pod wpływem wcześniejszych sygnałów. W ten sposób pełnią funkcję zbliżoną do połączeń między komórkami nerwowymi, których siła może zmieniać się w wyniku wcześniejszej aktywności. Takie rozwiązanie umożliwia zapisanie w materiale parametrów potrzebnych do działania sztucznej sieci neuronowej.

Pojedyncze elastyczne tranzystory elektrochemiczne opracowywano już wcześniej. Znacznie trudniejsze było umieszczenie dużej liczby takich elementów na miękkiej powierzchni, a następnie połączenie ich w układ zdolny do wykonywania bardziej złożonych obliczeń. Typowe metody produkcji mikroelektroniki wykorzystują wysoką temperaturę i rozpuszczalniki, które mogą uszkadzać elastyczne polimery. Problemem była także warstwa elektrolitu o konsystencji żelu. Mogła przemieszczać się między sąsiednimi tranzystorami i powodować zwarcia. Badacze opracowali światłoczuły żel polimerowy, który można utwardzać promieniowaniem ultrafioletowym w ściśle określonych miejscach. Umożliwiło to precyzyjne formowanie elementów metodą stosowaną również w produkcji układów elektronicznych. Na powierzchni 1 cm² udało się umieścić do 10 tys. organicznych tranzystorów elektrochemicznych. Układ zachowywał zdolność do przechowywania danych i wykonywania obliczeń również po wydłużeniu do ponad półtorakrotności pierwotnego rozmiaru.

Możliwości konstrukcji sprawdzono w dwóch zadaniach związanych z pracą serca. Pierwsze dotyczyło śledzenia fal pobudzenia elektrycznego podczas migotania komór. W tej arytmii regularne impulsy sterujące skurczami serca zostają zastąpione przez chaotyczną aktywność elektryczną. Komory nie kurczą się wtedy prawidłowo i przestają skutecznie tłoczyć krew. Ustalenie, gdzie w danym momencie znajduje się czoło nieprawidłowej fali elektrycznej, mogłoby w przyszłości umożliwić zastosowanie ukierunkowanych impulsów przerywających jej przemieszczanie. W doświadczeniu wykorzystano zapis aktywności elektrycznej pochodzący z ludzkiego serca pobranego od dawcy. Dane przeanalizował wcześniej wytrenowany algorytm przeniesiony do elastycznej matrycy tranzystorów. System określał położenie czoła fali z dokładnością wynoszącą 99,6%. Wynik nie zmienił się po wydłużeniu matrycy do ponad 150% jej początkowego rozmiaru. Dokładność 99,6% dotyczyła lokalizowania fal elektrycznych na podstawie wcześniej zarejestrowanych danych. Nie była to ocena skuteczności diagnostycznej u pacjentów ani badanie działania systemu podczas ciągłego monitorowania serca. W drugim doświadczeniu w układzie zapisano sieć neuronową analizującą dane obejmujące m.in. elektrokardiogram, stężenie glukozy i cholesterolu oraz maksymalną częstość pracy serca. Na tej podstawie system oceniał ryzyko zawału serca, osiągając dokładność 83,5%. Był to również test możliwości wykonywania obliczeń przez elastyczną elektronikę, a nie badanie potwierdzające jej skuteczność diagnostyczną.

Najważniejszą cechą opracowanego rozwiązania jest wykonywanie obliczeń bezpośrednio obok miejsca rejestracji sygnału. Dane nie muszą być najpierw wysyłane do smartfona ani zewnętrznego serwera. Może to skrócić czas potrzebny do uzyskania wyniku oraz ograniczyć ilość przesyłanych informacji. Szybkie przetwarzanie danych jest szczególnie przydatne w analizie aktywności elektrycznej serca, ponieważ nieprawidłowe fale pobudzenia mogą przemieszczać się bardzo szybko, a ich położenie zmienia się w ciągu milisekund. Opracowana technologia pokazuje, że wiele elementów wykonujących zadania sztucznej sieci neuronowej można umieścić na miękkiej powierzchni dostosowującej się do ruchów ciała. W przeprowadzonych doświadczeniach materiał zachował właściwości obliczeniowe podczas znacznego odkształcenia i prawidłowo analizował wcześniej zgromadzone dane dotyczące pracy ludzkiego serca. Dotychczas nie przeprowadzono jednak badań klinicznych z udziałem pacjentów.