Forskare har utvecklat ett artificiellt sensoriskt nervsystem som kan bearbeta information som liknar människokroppen och som effektivt kan ge känselkänsla till proteser.
Vår hud, kroppens största organ, är också det viktigaste eftersom den täcker hela vår kropp, kontrollerar vår kroppstemperatur och skyddar oss från skadliga yttre faktorer som sol, onormala temperaturer, bakterier etc. Vår hud kan sträckas ut och reparera sig själv. Huden är också viktig eftersom den ger oss en känsla av beröring genom vilken vi kan fatta beslut. Hud är ett komplext avkännings- och signalsystem för oss.
I en studie som publiceras i Vetenskap, forskare ledda av Prof Zhenan Bao vid Stanford University och Seoul National University har utvecklat en konstgjord sensoriska nervsystemet som kan vara ett stort steg mot att skapa "konstgjord hud" för protetik lemmar som kan återställa känseln och fungera som ett normalt hudskydd. Den utmanande aspekten av denna studie var hur man effektivt efterliknar vår hud som har flera unika egenskaper. Den egenskap som är svårast att efterlikna är hur vår hud fungerar som en smart sensorisk nätverk som först överför förnimmelser till hjärnan och även beordrar våra muskler att reagera genom en reflex för att fatta snabba beslut. Till exempel får en knackning armbågsmusklerna att sträcka sig, och sensorer i dessa muskler skickar impulser till hjärnan genom en neuron. Neuronen skickar sedan en serie signaler till relevanta synapser. Det synaptiska nätverket i vår kropp känner igen mönstret av plötslig sträckning i muskler och skickar ut två signaler samtidigt. En signal får armbågsmusklerna att dra ihop sig som en reflex och den andra signalen går till hjärnan för att informera om denna känsla. Hela detta händelseförlopp sker på nästan en bråkdel av sekunder. Att efterlikna detta komplicerade biologiska sensoriska nervsystem inklusive alla funktionella element i nätverket av neuroner är fortfarande utmanande.
Unikt sensoriskt nervsystem som "härmar" det verkliga
Forskare har skapat ett unikt sensoriskt aldrig-system som kan replikera hur det mänskliga nervsystemet fungerar. Den "konstgjorda nervkretsen" designad av forskare integrerar tre komponenter i ett platt, flexibelt ark som mäter några centimeter. Dessa komponenter har beskrivits individuellt tidigare. Den första komponenten är en beröring givare som kan upptäcka krafter och tryck (även mini sådana). Denna sensor (tillverkad av ekologisk polymerer, kolnanorör och guldelektroder) skickar signaler genom en andra komponent, en flexibel elektronisk neuron. Båda dessa komponenter är förbättrade och förbättrade versioner av det som utvecklades av samma forskare tidigare. Sensoriska signaler som genereras och passerar genom dessa två komponenter levereras till en tredje komponent, en artificiell synaptisk transistor som är modellerad precis som mänskliga synapser i hjärnan. Alla dessa tre komponenter måste fungera sammanhängande och att demonstrera slutfunktionen var den mest utmanande aspekten. Verkliga biologiska synapser vidarebefordrar signaler och lagrar information som krävs för att fatta beslut. Denna synaptiska transistor "utför" dessa funktioner genom att leverera elektroniska signaler till den synaptiska transistorn genom att använda den artificiella nervkretsen. Därför lär sig detta konstgjorda system att känna igen och reagera på sensoriska input baserat på intensiteten och frekvensen av lågeffektsignaler, precis hur en biologisk synaps skulle göra i en levande kropp. Det nya med denna studie är hur dessa tre individuella komponenter som är kända tidigare integrerades framgångsrikt för första gången för att leverera ett sammanhållet system.
Forskare testade det här systemets förmåga att generera reflexer och även känna beröring. I ett experiment fäste de sin konstgjorda nerv på ett kackerlackaben och utövade ett litet tryck på sin beröringssensor. Den elektroniska neuronen omvandlade sensorsignalen till digitala signaler och skickade dem genom den synaptiska transistorn. Detta fick kackerlackans ben att rycka på grund av tryckökningen eller minskningen i beröringssensorn. Så, denna artificiella installation aktiverade verkligen ryckreflexen. I ett andra experiment visade forskare den konstgjorda nervens förmåga att upptäcka olika beröringsförnimmelser genom att kunna särskilja punktskriftsbokstäver. I ett annat test rullade de en cylinder över sensorn i olika riktningar och kunde noggrant detektera den exakta riktningen av rörelsen. Således kan den här enheten förbättra objektigenkänning och fin taktil informationsbearbetning som texturigenkänning, punktskriftsläsning och särskiljande kanter på objekt.
Framtiden för det artificiella sensoriska nervsystemet
Denna artificiella nervteknologi är i ett mycket tidigt skede och har inte nått den nödvändiga komplexitetsnivån men har gett enorma hopp om att skapa konstgjorda hudbeläggningar. Det är tydligt att sådana "överdrag" också skulle kräva anordningar för att upptäcka värme, vibrationer, tryck och andra krafter och förnimmelser. De måste ha en god förmåga att bli inbäddade i flexibla kretsar så att de effektivt kan samverka med hjärnan. För att efterlikna vår hud behöver enheten ha mer integration och funktionalitet som ska göra den mer stabil och pålitlig.
Denna artificiella nervteknologi kan vara en välsignelse för proteser och återställa känslor hos amputerade. Protesanordningarna har förbättrats mycket under året med mer tillgänglig 3D-utskriftsteknik och mer lyhörda robotsystem. Trots dessa uppgraderingar måste de flesta protesanordningar som finns tillgängliga idag kontrolleras på ett mycket grovt sätt eftersom de inte ger ett bra tillfredsställande gränssnitt med hjärnan på grund av bristande inkorporering av krångligheterna i det stora mänskliga nervsystemet. Apparaten ger ingen feedback och därmed känner patienten sig mycket missnöjd och kasserar dem förr eller senare. En sådan artificiell nervteknologi kommer, när den framgångsrikt införlivas i proteser, att leverera beröringsinformation för användarna och hjälpa patienterna med en bättre upplevelse. Den här enheten är ett stort steg mot att skapa hudliknande sensoriska neurala nätverk för olika applikationer genom att ge krafter av reflex och känselförnimmelse.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
Yeongin K et al. 2018. En bioinspirerad flexibel organisk artificiell afferent nerv. Vetenskap. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
