Tyrėjai sukūrė dirbtinę jutimo nervų sistemą, kuri gali apdoroti informaciją, panašią į žmogaus kūną, ir gali efektyviai suteikti lytėjimo pojūtį protezuotoms galūnėms.
Mūsų oda, didžiausias kūno organas, taip pat yra pats svarbiausias, nes ji dengia visą mūsų kūną, kontroliuoja kūno temperatūrą ir apsaugo mus nuo žalingų išorinių veiksnių, tokių kaip saulė, nenormali temperatūra, mikrobai ir tt Mūsų oda gali nepaprastai ištempti ir atsistatyti. Oda taip pat svarbi, nes ji suteikia mums lytėjimo pojūtį, per kurį galime priimti sprendimus. Oda mums yra sudėtinga jutimo ir signalizacijos sistema.
Atliekant tyrimą paskelbtas Mokslas, mokslininkai, vadovaujami prof. Zhenan Bao iš Stanfordo universiteto ir Seulo nacionalinio universiteto, sukūrė dirbtinis jutimo nervų sistema, kuri galėtų būti didelis žingsnis kuriant „dirbtinę odą“. protezavimas galūnes, kurios galėtų atkurti pojūtį ir veikti kaip įprastas odos dangalas. Sudėtingas šio tyrimo aspektas buvo tai, kaip efektyviai imituoti mūsų odą, kuri turi keletą unikalių savybių. Sunkiausia pamėgdžioti savybė yra tai, kaip mūsų oda elgiasi kaip protinga sensorinis tinklas, kuris pirmiausia perduoda pojūčius į smegenis ir taip pat liepia mūsų raumenims reaguoti per refleksą, kad būtų priimti greiti sprendimai. Pavyzdžiui, bakstelėjimas priverčia tempti alkūnės raumenis, o šių raumenų jutikliai siunčia impulsą į smegenis per neuroną. Tada neuronas siunčia signalų seriją į atitinkamas sinapses. Mūsų kūno sinapsinis tinklas atpažįsta staigų raumenų tempimą ir vienu metu siunčia du signalus. Vienas signalas priverčia alkūnės raumenis susitraukti kaip refleksas, o antrasis signalas eina į smegenis, kad praneštų apie šį pojūtį. Visa ši įvykių seka įvyksta per beveik sekundės dalį. Imituoti šią sudėtingą biologinę jutimo nervų sistemą, įskaitant visus funkcinius neuronų tinklo elementus, vis dar sunku.
Unikali jutiminė nervų sistema, kuri „mėgdžioja“ tikrąją
Tyrėjai sukūrė unikalią jutimo sistemą, kuri gali atkartoti žmogaus nervų sistemos funkcionavimą. Mokslininkų sukurta „dirbtinių nervų grandinė“ sujungia tris komponentus į plokščią, lanksčią kelių centimetrų lakštą. Šie komponentai buvo aprašyti atskirai anksčiau. Pirmasis komponentas yra prisilietimas jutiklis which can detect forces and pressure (even mini ones). This sensor (made of organinis polymers, carbon nanotubes and gold electrodes) send signals through a second component, a flexible electronic neuron. Both these components are enhanced and improved versions of what was developed by same researchers before. Sensory signals generated and passed through these two components are delivered to a third component, an artificial synaptic transistor which is modelled exactly like human synapses in the brain. All these three components have to work cohesively and demonstrating the end function was the most challenging aspect. Real biological synapses relay signals and store information which is required to take decisions. This synaptic transistor “performs” these functions by delivering electronic signals to the synaptic transistor by using the artificial nerve circuit. Therefore, this artificial system learns to recognize and react to sensory inputs based upon the intensity and frequency of low-power signals, just how a biological synapse would do in a living body. The novelty of this study is how these three individual components that are known previously were integrated successfully for the first time to deliver a cohesive system.
Tyrėjai išbandė šios sistemos gebėjimą generuoti refleksus ir jausti prisilietimą. Vieno eksperimento metu jie pritvirtino dirbtinį nervą prie tarakono kojos ir paspaudė nedidelį prisilietimo jutiklį. Elektroninis neuronas jutiklio signalą pavertė skaitmeniniais signalais ir perdavė juos per sinapsinį tranzistorių. Dėl to tarakono koja trūkčiojo dėl prisilietimo jutiklio slėgio padidėjimo arba sumažėjimo. Taigi, ši dirbtinė sąranka tikrai suaktyvino trūkčiojimo refleksą. Antrajame eksperimente mokslininkai parodė dirbtinio nervo gebėjimą aptikti skirtingus prisilietimo pojūčius, nes gali atskirti Brailio rašto raides. Kito bandymo metu jie apvertė cilindrą ant jutiklio skirtingomis kryptimis ir galėjo tiksliai nustatyti tikslią judesio kryptį. Taigi šis įrenginys gali pagerinti objektų atpažinimą ir tobulą lytėjimo informacijos apdorojimą, pvz., tekstūros atpažinimą, Brailio rašto skaitymą ir objektų kraštų atskyrimą.
Dirbtinės jutimo nervų sistemos ateitis
Ši dirbtinių nervų technologija yra labai ankstyvoje stadijoje ir nepasiekė reikiamo sudėtingumo lygio, tačiau suteikė didžiulę viltį sukurti dirbtinius odos dangalus. Akivaizdu, kad tokioms „dangoms“ prireiktų prietaisų, kurie aptiktų šilumą, vibraciją, slėgį ir kitas jėgas bei pojūčius. Jie turi turėti gerą gebėjimą integruotis į lanksčias grandines, kad galėtų veiksmingai sąveikauti su smegenimis. Kad būtų galima imituoti mūsų odą, prietaisas turi turėti daugiau integracijos ir funkcionalumo, todėl jis būtų stabilesnis ir patikimesnis.
Ši dirbtinių nervų technologija gali būti palaima protezuojant ir atkurti pojūčius amputuotiems pacientams. Protezavimo prietaisai per metus labai patobulėjo, nes atsirado daugiau 3D spausdinimo technologijų ir jautresnės robotikos sistemos. Nepaisant šių patobulinimų, dauguma šiandien prieinamų protezų turi būti valdomi labai grubiai, nes jie nesuteikia geros patenkinamos sąsajos su smegenimis, nes neapima didžiulės žmogaus nervų sistemos sudėtingumo. Prietaisas nesuteikia grįžtamojo ryšio, todėl pacientas jaučiasi labai nepatenkintas ir anksčiau ar vėliau juos atsisako. Tokia dirbtinio nervo technologija, sėkmingai įtraukta į protezavimą, pateiks lytėjimo informaciją vartotojams ir padės pacientams gauti geresnę patirtį. Šis prietaisas yra didelis žingsnis kuriant į odą panašius sensorinius neuroninius tinklus įvairioms programoms, suteikiant reflekso ir lytėjimo galias.
***
{Galite perskaityti pradinį tyrimo dokumentą spustelėję toliau pateiktą DOI nuorodą cituojamų šaltinių sąraše}
Šaltiniai)
Yeongin K ir kt. 2018. Bioinspiruotas lankstus organinis dirbtinis aferentinis nervas. Mokslas. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
