Forskere har utviklet et kunstig sensorisk nervesystem som kan behandle informasjon som ligner på menneskekroppen, og det kan effektivt gi berøringssans til protetiske lemmer
Huden vår, kroppens største organ, er også det viktigste siden den dekker hele kroppen vår, kontrollerer kroppstemperaturen og beskytter oss mot skadelige ytre faktorer som sol, unormale temperaturer, bakterier osv. Huden vår kan strekke seg bemerkelsesverdig og reparere seg selv. Huden er også viktig fordi den gir oss en følelse av berøring som gjør at vi kan ta beslutninger. Hud er et komplekst sanse- og signalsystem for oss.
I en studie publisert i Vitenskap, har forskere ledet av prof Zhenan Bao ved Stanford University og Seoul National University utviklet en kunstig sensorisk nervesystem som kan være et stort skritt mot å skape "kunstig hud" for protetikk lemmer som kan gjenopprette følelsen og fungere som et normalt huddeksel. Det utfordrende aspektet ved denne studien var hvordan vi effektivt kan etterligne huden vår som har flere unike egenskaper. Funksjonen som er vanskeligst å etterligne er måten huden vår oppfører seg som en smart sensorisk nettverk som først overfører sensasjoner til hjernen og også beordrer musklene våre til å reagere gjennom en refleks for å ta raske avgjørelser. Et trykk fører for eksempel til at albuemusklene strekker seg, og sensorer i disse musklene sender impulser til hjernen gjennom et nevron. Nevronet sender deretter en rekke signaler til relevante synapser. Det synaptiske nettverket i kroppen vår gjenkjenner mønsteret av plutselig strekk i muskler og sender ut to signaler samtidig. Det ene signalet får albuemusklene til å trekke seg sammen som en refleks og det andre signalet går til hjernen for å informere om denne følelsen. Hele denne hendelsesforløpet skjer på nesten en brøkdel av sekunder. Å etterligne dette kompliserte biologiske sensoriske nervesystemet, inkludert alle funksjonelle elementer i nettverket av nevroner, er fortsatt utfordrende.
Unikt sensorisk nervesystem som "etterligner" det virkelige
Forskere har skapt et unikt sensorisk aldri-system som kan gjenskape hvordan det menneskelige nervesystemet fungerer. Den "kunstige nervekretsen" designet av forskere integrerer tre komponenter i et flatt, fleksibelt ark som måler noen få centimeter. Disse komponentene er individuelt beskrevet tidligere. Den første komponenten er en berøring sensor som kan oppdage krefter og trykk (selv mini). Denne sensoren (laget av organisk polymerer, karbon nanorør og gullelektroder) sender signaler gjennom en andre komponent, en fleksibel elektronisk nevron. Begge disse komponentene er forbedrede og forbedrede versjoner av det som ble utviklet av samme forskere før. Sensoriske signaler generert og sendt gjennom disse to komponentene blir levert til en tredje komponent, en kunstig synaptisk transistor som er modellert nøyaktig som menneskelige synapser i hjernen. Alle disse tre komponentene må fungere sammen, og å demonstrere sluttfunksjonen var det mest utfordrende aspektet. Ekte biologiske synapser videresender signaler og lagrer informasjon som er nødvendig for å ta beslutninger. Denne synaptiske transistoren "utfører" disse funksjonene ved å levere elektroniske signaler til den synaptiske transistoren ved å bruke den kunstige nervekretsen. Derfor lærer dette kunstige systemet å gjenkjenne og reagere på sensoriske input basert på intensiteten og frekvensen til laveffektsignaler, akkurat slik en biologisk synapse ville gjort i en levende kropp. Det nye med denne studien er hvordan disse tre individuelle komponentene som er kjent tidligere ble integrert med suksess for første gang for å levere et sammenhengende system.
Forskere testet evnen til dette systemet til å generere reflekser og også føle berøring. I ett eksperiment festet de sin kunstige nerve til et kakerlakkbein og la et lite trykk på berøringssensoren. Det elektroniske nevronet konverterte sensorsignalet til digitale signaler og sendte dem gjennom den synaptiske transistoren. Dette fikk kakerlakkens ben til å rykke basert på trykkøkningen eller reduksjonen i berøringssensoren. Så dette kunstige oppsettet aktiverte absolutt rykkerefleksen. I et andre eksperiment viste forskerne evnen til den kunstige nerven til å oppdage forskjellige berøringsfølelser ved å være i stand til å skille punktskrift. I en annen test rullet de en sylinder over sensoren i forskjellige retninger og var i stand til nøyaktig å oppdage den nøyaktige bevegelsesretningen. Dermed er denne enheten i stand til å forbedre gjenkjenning av objekter og fin taktil informasjonsbehandling som teksturgjenkjenning, punktskriftlesing og skillekanter av objekter.
Fremtiden for det kunstige sensoriske nervesystemet
Denne kunstige nerveteknologien er på et veldig tidlig stadium og har ikke nådd det nødvendige kompleksitetsnivået, men har gitt et enormt håp om å lage kunstige hudbelegg. Det er klart at slike "dekker" også vil kreve enheter for å oppdage varme, vibrasjoner, trykk og andre krefter og sensasjoner. De må ha en god evne til å bli innebygd i fleksible kretsløp slik at de effektivt kan kommunisere med hjernen. For å etterligne huden vår, må enheten ha mer integrasjon og funksjonalitet som skal gjøre den mer stabil og pålitelig.
Denne kunstige nerveteknologien kan være en velsignelse for proteser og gjenopprette sensasjoner hos amputerte. Proteseenhetene har forbedret seg mye i løpet av året med mer tilgjengelig 3D-utskriftsteknologi og mer responsive robotsystemer. Til tross for disse oppgraderingene, må de fleste proteser som er tilgjengelige i dag kontrolleres på en svært grov måte, da de ikke gir et godt tilfredsstillende grensesnitt med hjernen på grunn av mangel på inkorporering av forviklingene i det store menneskelige nervesystemet. Apparatet gir ikke tilbakemelding og dermed føler pasienten seg svært misfornøyd og kaster dem før eller siden. Når en slik kunstig nerveteknologi er vellykket inkorporert i proteser, vil den levere berøringsinformasjon til brukerne og vil bidra til å gi pasientene en bedre opplevelse. Denne enheten er et stort skritt mot å lage hudlignende sensoriske nevrale nettverk for ulike bruksområder ved å gi refleks- og berøringssans.
***
{Du kan lese den originale forskningsoppgaven ved å klikke på DOI-lenken nedenfor i listen over siterte kilder}
Source (s)
Yeongin K et al. 2018. En bioinspirert fleksibel organisk kunstig afferent nerve. Vitenskap. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
