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 amely képes érzékelni az erőket és a nyomást (még a miniat is). Ez az érzékelő (amelyből készült organikus polimerek, szén nanocsövek és aranyelektródák) küldenek jeleket egy második komponensen, egy rugalmas elektronikus neuronon keresztül. Mindkét összetevő továbbfejlesztett és továbbfejlesztett változata annak, amit korábban ugyanazok a kutatók fejlesztettek ki. Az e két komponensen generált és áthaladó szenzoros jelek egy harmadik komponenshez, egy mesterséges szinaptikus tranzisztorhoz jutnak el, amely pontosan úgy van modellezve, mint az emberi agyi szinapszisok. Ennek a három összetevőnek összefüggően kell működnie, és a végfunkció bemutatása volt a legnagyobb kihívás. A valódi biológiai szinapszisok jeleket közvetítenek és olyan információkat tárolnak, amelyek a döntések meghozatalához szükségesek. Ez a szinaptikus tranzisztor „végzi” ezeket a funkciókat azáltal, hogy a mesterséges idegáramkör segítségével elektronikus jeleket juttat el a szinaptikus tranzisztorhoz. Ezért ez a mesterséges rendszer megtanulja felismerni és reagálni az érzékszervi bemenetekre az alacsony teljesítményű jelek intenzitása és frekvenciája alapján, ahogyan a biológiai szinapszisok működnének egy élő testben. A tanulmány újdonsága abban rejlik, hogy ezt a három, korábban ismert komponenst hogyan sikerült először integrálni egy összefüggő rendszer létrehozására.
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. Tudomány. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
