Vědci vyvinuli umělý senzorický nervový systém, který dokáže zpracovávat informace podobné lidskému tělu a mohl by účinně poskytnout smysl pro dotek protetických končetin.
Naše kůže, největší orgán těla, je také nejdůležitější, protože pokrývá celé naše tělo, řídí naši tělesnou teplotu a chrání nás před škodlivými vnějšími faktory, jako je slunce, abnormální teploty, choroboplodné zárodky atd. Naše kůže se může pozoruhodně natáhnout a dokáže se sama opravit. Kůže je také důležitá, protože nám poskytuje hmat, díky kterému jsme schopni se rozhodovat. Kůže je pro nás komplexní snímací a signalizační systém.
Ve studii publikované v Věda, výzkumníci vedení prof. Zhenan Bao ze Stanfordské univerzity a Soulské národní univerzity vyvinuli an umělý smyslový nervový systém, což by mohl být velký krok k vytvoření „umělé kůže“. protéza končetin, které by mohly obnovit citlivost a působit jako normální kožní kryt. Náročným aspektem této studie bylo, jak efektivně napodobit naši pokožku, která má několik jedinečných vlastností. Nejobtížněji napodobitelný rys je způsob, jakým se naše pokožka chová jako chytrá smyslové síť, která nejprve přenáší vjemy do mozku a také přikazuje našim svalům reagovat reflexně a rychle se rozhodovat. Například poklep způsobí natažení loketních svalů a senzory v těchto svalech vysílají impuls do mozku přes neuron. Neuron pak vysílá řadu signálů do příslušných synapsí. Synaptická síť v našem těle rozpozná vzor náhlého natažení svalů a vysílá dva signály současně. Jeden signál způsobí kontrakci loketních svalů jako reflex a druhý signál jde do mozku, aby informoval o tomto pocitu. Celá tato sekvence událostí se odehraje téměř ve zlomku sekundy. Napodobování tohoto komplikovaného biologického senzorického nervového systému včetně všech funkčních prvků v síti neuronů zůstává stále náročné.
Jedinečný senzorický nervový systém, který „napodobuje“ skutečnost
Vědci vytvořili jedinečný senzorický systém nikdy, který by mohl replikovat fungování lidského nervového systému. „Okruh umělých nervů“ navržený výzkumníky integruje tři komponenty do plochého, flexibilního listu o rozměrech několika centimetrů. Tyto komponenty byly jednotlivě popsány dříve. První složkou je dotyk senzor který dokáže detekovat síly a tlak (i mini). Tento senzor (vyrobený z organický polymery, uhlíkové nanotrubice a zlaté elektrody) vysílají signály prostřednictvím druhé složky, flexibilního elektronického neuronu. Obě tyto komponenty jsou vylepšené a vylepšené verze toho, co bylo vyvinuto stejnými výzkumníky dříve. Senzorické signály generované a procházející těmito dvěma komponentami jsou dodávány do třetí komponenty, umělého synaptického tranzistoru, který je modelován přesně jako lidské synapse v mozku. Všechny tyto tři komponenty musí fungovat soudržně a předvedení koncové funkce bylo nejnáročnějším aspektem. Skutečné biologické synapse předávají signály a ukládají informace, které jsou nutné k rozhodování. Tento synaptický tranzistor „vykonává“ tyto funkce dodáváním elektronických signálů do synaptického tranzistoru pomocí obvodu umělého nervu. Proto se tento umělý systém učí rozpoznávat a reagovat na senzorické vstupy založené na intenzitě a frekvenci signálů s nízkou spotřebou, přesně tak, jak by fungovala biologická synapse v živém těle. Novinkou této studie je, jak byly tyto tři jednotlivé komponenty, které byly dříve známy, poprvé úspěšně integrovány, aby vytvořily soudržný systém.
Výzkumníci testovali schopnost tohoto systému generovat reflexy a také vnímat dotek. V jednom experimentu připojili svůj umělý nerv k švábovi a aplikovali malý tlak na svůj dotykový senzor. Elektronický neuron převedl signál senzoru na digitální signály a prošel je synaptickým tranzistorem. To způsobilo, že švábova noha škubla na základě zvýšení nebo snížení tlaku v dotykovém senzoru. Takže toto umělé nastavení jistě aktivovalo záškubový reflex. Ve druhém experimentu vědci prokázali schopnost umělého nervu detekovat různé dotykové vjemy tím, že byli schopni rozlišit písmena Braillova písma. V dalším testu převalili válec přes senzor v různých směrech a byli schopni přesně detekovat přesný směr pohybu. Toto zařízení je tedy schopno zlepšit rozpoznávání objektů a jemné hmatové zpracování informací, jako je rozpoznávání textur, čtení Braillova písma a rozlišování hran objektů.
Budoucnost umělého senzorického nervového systému
Tato technologie umělého nervu je ve velmi rané fázi a nedosáhla požadované úrovně složitosti, ale dala obrovskou naději na vytvoření umělých kožních krytů. Je jasné, že takové „kryty“ by také vyžadovaly zařízení pro detekci tepla, vibrací, tlaku a dalších sil a vjemů. Musí mít dobrou schopnost zabudování do flexibilních obvodů, aby se mohly účinně propojit s mozkem. Aby zařízení napodobovalo naši pokožku, musí mít větší integraci a funkčnost, díky čemuž bude stabilnější a spolehlivější.
Tato technologie umělých nervů by mohla být přínosem pro protetiku a obnovit vjemy u amputovaných. Protetická zařízení se v průběhu roku hodně zlepšila díky dostupnější technologii 3D tisku a citlivějším robotickým systémům. Navzdory těmto vylepšením musí být většina dnes dostupných protetických zařízení řízena velmi hrubým způsobem, protože neposkytují dobré uspokojivé rozhraní s mozkem kvůli nedostatku začlenění složitostí obrovského lidského nervového systému. Zařízení nedává zpětnou vazbu a pacient se tak cítí velmi nespokojený a dříve nebo později je zahodí. Taková technologie umělého nervu, pokud je úspěšně začleněna do protetiky, poskytne uživatelům dotykové informace a pomůže pacientům poskytnout lepší zkušenost. Toto zařízení je velkým krokem k vytvoření senzorických neuronových sítí podobných kůži pro různé aplikace tím, že poskytuje schopnosti reflexu a doteku.
***
{Původní výzkumný dokument si můžete přečíst kliknutím na odkaz DOI uvedený níže v seznamu citovaných zdrojů}
Zdroje)
Yeongin K a kol. 2018. Bioinspirovaný flexibilní organický umělý aferentní nerv. Věda. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
