Исследователи разработали искусственную сенсорную нервную систему, которая может обрабатывать информацию, аналогичную человеческому телу, и эффективно обеспечивать осязание протезам конечностей.
Наша кожа, самый большой орган тела, также является наиболее важным, поскольку она покрывает все наше тело, контролирует температуру тела и защищает нас от вредных внешних факторов, таких как солнце, аномальные температуры, микробы и т. Д. Наша кожа может заметно растягиваться и восстанавливаться. Кожа также важна, потому что она дает нам осязание, с помощью которого мы можем принимать решения. Кожа для нас - это сложная сенсорная и сигнальная система.
В исследовании, опубликованном в Наука, исследователи под руководством профессора Женан Бао из Стэнфордского университета и Сеульского национального университета разработали искусственный сенсорной нервной системы, которая могла бы стать большим шагом к созданию «искусственной кожи» для протезирование конечности, которые могут восстановить чувствительность и действовать как нормальный кожный покров. Сложным аспектом этого исследования было то, как эффективно имитировать нашу кожу, обладающую несколькими уникальными свойствами. Особенность, которую труднее всего воспроизвести, - это то, как наша кожа действует как умный сенсорный сеть, которая сначала передает ощущения в мозг, а также приказывает нашим мышцам рефлекторно реагировать для принятия быстрых решений. Например, постукивание заставляет мышцы локтя растягиваться, и датчики в этих мышцах посылают импульс в мозг через нейрон. Затем нейрон посылает серию сигналов в соответствующие синапсы. Синаптическая сеть в нашем теле распознает образец внезапного растяжения мышц и посылает два сигнала одновременно. Один сигнал заставляет мышцы локтя рефлекторно сокращаться, а второй сигнал поступает в мозг, чтобы сообщить об этом ощущении. Вся эта последовательность событий происходит почти за доли секунды. Имитация этой сложной биологической сенсорной нервной системы, включая все функциональные элементы нейронной сети, все еще остается сложной задачей.
Уникальная сенсорная нервная система, которая «имитирует» настоящую
Исследователи создали уникальную сенсорную систему, которая может воспроизводить работу нервной системы человека. «Искусственный нервный контур», разработанный исследователями, объединяет три компонента в плоский гибкий лист размером несколько сантиметров. Эти компоненты были описаны ранее по отдельности. Первый компонент - прикосновение датчик который может обнаруживать силы и давление (даже мини). Этот датчик (изготовленный из органический полимеры, углеродные нанотрубки и золотые электроды) посылают сигналы через второй компонент — гибкий электронный нейрон. Оба эти компонента представляют собой расширенные и улучшенные версии того, что было разработано теми же исследователями ранее. Сенсорные сигналы, генерируемые и проходящие через эти два компонента, передаются третьему компоненту — искусственному синаптическому транзистору, который смоделирован точно так же, как синапсы человека в мозгу. Все эти три компонента должны работать слаженно, и демонстрация конечной функции была самым сложным аспектом. Настоящие биологические синапсы передают сигналы и хранят информацию, необходимую для принятия решений. Этот синаптический транзистор «выполняет» эти функции, доставляя электронные сигналы на синаптический транзистор с помощью искусственной нервной цепи. Таким образом, эта искусственная система учится распознавать сенсорные сигналы и реагировать на них, основываясь на интенсивности и частоте сигналов малой мощности, точно так же, как это делает биологический синапс в живом организме. Новизна этого исследования заключается в том, как эти три отдельных компонента, которые были известны ранее, были впервые успешно интегрированы для создания целостной системы.
Исследователи проверили способность этой системы генерировать рефлексы, а также чувствовать прикосновение. В одном эксперименте они прикрепили свой искусственный нерв к ноге таракана и слегка надавили на сенсорный датчик. Электронный нейрон преобразовал сигнал датчика в цифровые сигналы и пропустил их через синаптический транзистор. Это привело к подергиванию ноги таракана в зависимости от увеличения или уменьшения давления сенсорного датчика. Итак, эта искусственная установка, безусловно, активировала рефлекс подергивания. Во втором эксперименте исследователи продемонстрировали способность искусственного нерва определять различные ощущения прикосновения за счет способности различать буквы Брайля. В другом тесте они катали цилиндр над датчиком в разных направлениях и смогли точно определить точное направление движения. Таким образом, это устройство способно улучшить распознавание объектов и точную обработку тактильной информации, такую как распознавание текстуры, чтение шрифтом Брайля и различение краев объектов.
Будущее искусственной сенсорной нервной системы
Эта технология искусственных нервов находится на очень ранней стадии и еще не достигла необходимого уровня сложности, но дает огромные надежды на создание искусственных кожных покровов. Ясно, что для таких «покрытий» также потребуются устройства для обнаружения тепла, вибрации, давления и других сил и ощущений. У них должна быть хорошая способность встраиваться в гибкие схемы, чтобы они могли эффективно взаимодействовать с мозгом. Чтобы имитировать нашу кожу, устройство должно иметь большую интеграцию и функциональность, что сделает его более стабильным и надежным.
Эта технология искусственного нерва может быть благом для протезирования и восстановления чувствительности у людей с ампутированными конечностями. Протезы значительно улучшились за год, появилось больше технологий 3D-печати и более отзывчивые робототехнические системы. Несмотря на эти усовершенствования, большинством доступных сегодня протезов приходится управлять очень грубо, поскольку они не обеспечивают удовлетворительного взаимодействия с мозгом из-за недостаточного учета сложностей огромной нервной системы человека. Устройство не дает обратной связи, поэтому пациент чувствует себя очень неудовлетворенным и рано или поздно отказывается от них. Такая технология искусственного нерва при успешном внедрении в протезирование предоставит пользователям сенсорную информацию и поможет улучшить качество обслуживания пациентов. Это устройство является большим шагом на пути создания кожных сенсорных нейронных сетей для различных приложений, предоставляя возможности рефлекса и осязания.
{Вы можете прочитать исходную исследовательскую работу, щелкнув ссылку DOI, приведенную ниже в списке цитируемых источников}
Источник (ы)
Yeongin K et al. 2018. Биоинспирированный гибкий органический искусственный афферентный нерв. Наука. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
