REKLÁM

Mesterséges szenzoros idegrendszer: áldás a protetika számára

A kutatók olyan mesterséges érzőidegrendszert fejlesztettek ki, amely az emberi testhez hasonló információkat képes feldolgozni, és hatékonyan képes tapintást adni a művégtagoknak.

Bőrünk, testünk legnagyobb szerve is a legfontosabb, mivel az egész testünket lefedi, szabályozza testhőmérsékletünket és megvéd minket az olyan káros külső tényezőktől, mint a nap, az abnormális hőmérséklet, a kórokozók stb. A bőr azért is fontos, mert olyan tapintási érzetet biztosít számunkra, amelyen keresztül képesek vagyunk döntéseket hozni. A bőr egy összetett érzékelő és jelzőrendszer számunkra.

Egy tanulmány Tudomány, a Stanford Egyetem és a Szöuli Nemzeti Egyetem professzora által vezetett Zhenan Bao kutatók kifejlesztettek egy mesterséges szenzoros idegrendszer, amely nagy lépés lehet a „mesterséges bőr” létrehozása felé protézisek végtagok, amelyek helyreállíthatják az érzést, és normál bőrtakaróként működhetnek. Ennek a vizsgálatnak a kihívása az volt, hogyan tudjuk hatékonyan utánozni bőrünket, amely számos egyedi tulajdonsággal rendelkezik. A legnehezebben utánozható tulajdonság az, ahogyan bőrünk okosként viselkedik szenzoros hálózat, amely először az érzeteket továbbítja az agynak, és izmainkat is arra utasítja, hogy egy reflexen keresztül reagáljanak a gyors döntések meghozatalára. Például egy koppintás hatására a könyökizmok megnyúlnak, és ezekben az izmokban lévő érzékelők impulzusokat küldenek az agyba egy neuronon keresztül. Az idegsejt ezután egy sor jelet küld a releváns szinapszisoknak. A testünkben lévő szinaptikus hálózat felismeri az izmok hirtelen megnyúlásának mintáját, és egyszerre két jelet küld ki. Az egyik jel a könyök izmait reflexként összehúzza, a másik pedig az agyba érkezik, hogy tájékozódjon erről az érzésről. Ez az egész eseménysor csaknem a másodperc töredéke alatt játszódik le. Ennek a bonyolult biológiai szenzoros idegrendszernek az utánzása, beleértve a neuronhálózat minden funkcionális elemét, továbbra is kihívást jelent.

Egyedülálló szenzoros idegrendszer, amely „utánozza” a valódit

A kutatók egy egyedülálló szenzoros sohasem rendszert hoztak létre, amely képes megismételni az emberi idegrendszer működését. A kutatók által tervezett „mesterséges idegkör” három komponenst egyesít egy lapos, rugalmas, néhány centiméteres lapba. Ezeket az összetevőket korábban külön-külön leírtuk. Az első összetevő egy érintés érzékelő which can detect forces and pressure (even mini ones). This sensor (made of organikus 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.

A kutatók tesztelték ennek a rendszernek a reflexek generálására és az érintés érzékelésére való képességét. Az egyik kísérletben a mesterséges idegüket egy csótánylábhoz erősítették, és apró nyomást gyakoroltak az érintésérzékelőjükre. Az elektronikus neuron átalakította az érzékelő jelét digitális jelekké, és átvezette azokat a szinaptikus tranzisztoron. Emiatt a csótány lába megrándult az érintésérzékelő nyomásának növekedése vagy csökkenése miatt. Tehát ez a mesterséges beállítás minden bizonnyal aktiválta a rángatózó reflexet. Egy második kísérletben a kutatók a mesterséges ideg azon képességét mutatták ki, hogy különböző érintési érzeteket észlel, mivel képes megkülönböztetni a Braille-betűket. Egy másik teszt során egy hengert gördítettek a szenzor fölé különböző irányokba, és pontosan tudták érzékelni a mozgás pontos irányát. Így ez az eszköz képes javítani a tárgyfelismerést és a finom tapintható információfeldolgozást, mint például a textúrafelismerés, a Braille-olvasás és az objektumok éleinek megkülönböztetése.

A mesterséges érzőidegrendszer jövője

Ez a mesterséges idegtechnológia nagyon korai stádiumban van, és még nem érte el a szükséges bonyolultsági szintet, de óriási reményt adott a mesterséges bőrtakarók létrehozására. Nyilvánvaló, hogy az ilyen „burkolatokhoz” hő-, rezgés-, nyomás- és egyéb erők és érzetek érzékelésére is szükség lenne. Jó képességgel kell rendelkezniük arra, hogy rugalmas áramkörökbe ágyazódjanak be, hogy hatékonyan kapcsolódhassanak az aggyal. A bőrünk utánzása érdekében az eszköznek több integrációval és funkcionalitással kell rendelkeznie, ami stabilabbá és megbízhatóbbá teszi.

Ez a mesterséges idegtechnológia áldás lehet a protetika számára, és helyreállíthatja az amputált betegek érzéseit. A protézisek sokat fejlődtek az év során, mivel egyre több 3D nyomtatási technológia áll rendelkezésre, és gyorsabban reagáltak a robotikai rendszerekre. E fejlesztések ellenére a legtöbb ma elérhető protéziseszközt nagyon durva módon kell vezérelni, mivel nem biztosítanak megfelelő interfészt az aggyal, mivel nem tartalmazzák a hatalmas emberi idegrendszer bonyolultságait. A készülék nem ad visszajelzést, így a páciens nagyon elégedetlennek érzi magát, és előbb-utóbb eldobja őket. Egy ilyen mesterséges idegtechnológia, ha sikeresen beépül a protézisbe, érintési információkat fog adni a felhasználóknak, és segít a betegek jobb élményében. Ez az eszköz nagy lépést tesz afelé, hogy bőrszerű szenzoros neurális hálózatokat hozzon létre különféle alkalmazásokhoz a reflex- és tapintásérzékelés erejével.

***

{Az eredeti kutatási cikket a hivatkozott forrás(ok) listájában lent található DOI linkre kattintva olvashatja el}

Forrás (ok)

Yeongin K et al. 2018. Bioinspirált rugalmas szerves mesterséges afferens ideg. Tudományhttps://doi.org/10.1126/science.aao0098

SCIEU csapat
SCIEU csapathttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Scientific European® | SCIEU.com | Jelentős előrelépések a tudományban. Hatás az emberiségre. Inspiráló elmék.

Iratkozzon fel hírlevelünkre

A legfrissebb hírekkel, ajánlatokkal és külön értesítésekkel kell frissíteni.

Legnépszerűbb cikkek

Proteus: Az első nem vágható anyag

A grapefruit 10 m-ről való szabadesése nem károsítja...

Ultra-High Fields (UHF) humán MRI: élő agy az Iseult Project 11.7 Tesla MRI-jével...

Az Iseult Project 11.7 Tesla MRI gépe figyelemre méltó...

A Research.fi szolgáltatás, amely információkat nyújt a finnországi kutatókról

Az Oktatási Minisztérium által fenntartott Research.fi szolgáltatás...
- Reklám -
94,519VentilátorokMint
47,682KövetőKövesse
1,772KövetőKövesse
30ElőfizetőkFeliratkozás