Ερευνητές ανέπτυξαν ένα τεχνητό αισθητήριο νευρικό σύστημα το οποίο μπορεί να επεξεργαστεί πληροφορίες παρόμοιες με το ανθρώπινο σώμα και θα μπορούσε να δώσει αποτελεσματικά την αίσθηση της αφής στα προσθετικά μέλη
Το δέρμα μας, το μεγαλύτερο όργανο του σώματός μας, είναι επίσης το πιο σημαντικό καθώς καλύπτει ολόκληρο το σώμα μας, ελέγχει τη θερμοκρασία του σώματός μας και μας προστατεύει από επιβλαβείς εξωτερικούς παράγοντες όπως ο ήλιος, οι μη φυσιολογικές θερμοκρασίες, τα μικρόβια κ.λπ. Το δέρμα μας μπορεί να τεντωθεί εντυπωσιακά και να επανορθωθεί. Το δέρμα είναι επίσης σημαντικό γιατί μας παρέχει μια αίσθηση αφής μέσω της οποίας μπορούμε να παίρνουμε αποφάσεις. Το δέρμα είναι ένα πολύπλοκο σύστημα ανίχνευσης και σηματοδότησης για εμάς.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στην Επιστήμη, ερευνητές με επικεφαλής τον καθηγητή Ζενάν Μπάο στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σεούλ ανέπτυξαν ένα τεχνητός αισθητηριακό νευρικό σύστημα που θα μπορούσε να είναι ένα μεγάλο βήμα προς τη δημιουργία «τεχνητού δέρματος». προσθετική άκρα που θα μπορούσαν να αποκαταστήσουν την αίσθηση και να λειτουργήσουν σαν ένα κανονικό κάλυμμα δέρματος. Η προκλητική πτυχή αυτής της μελέτης ήταν πώς να μιμηθεί κανείς αποτελεσματικά το δέρμα μας, το οποίο διαθέτει πολλές μοναδικές ιδιότητες. Το χαρακτηριστικό που είναι πιο δύσκολο να μιμηθεί κανείς είναι ο τρόπος με τον οποίο το δέρμα μας λειτουργεί σαν έξυπνο αισθητήριος δίκτυο το οποίο αρχικά μεταδίδει αισθήσεις στον εγκέφαλο και επίσης δίνει εντολή στους μύες μας να αντιδράσουν μέσω ενός αντανακλαστικού για να λάβουν γρήγορες αποφάσεις. Για παράδειγμα, ένα χτύπημα προκαλεί τέντωμα των μυών του αγκώνα και οι αισθητήρες σε αυτούς τους μύες στέλνουν ώθηση στον εγκέφαλο μέσω ενός νευρώνα. Στη συνέχεια, ο νευρώνας στέλνει μια σειρά σημάτων σε σχετικές συνάψεις. Το συναπτικό δίκτυο στο σώμα μας αναγνωρίζει το μοτίβο της ξαφνικής διάτασης στους μύες και εκπέμπει δύο σήματα ταυτόχρονα. Ένα σήμα κάνει τους μύες του αγκώνα να συστέλλονται ως αντανακλαστικό και το δεύτερο σήμα πηγαίνει στον εγκέφαλο για να ενημερώσει για αυτήν την αίσθηση. Όλη αυτή η ακολουθία γεγονότων συμβαίνει σχεδόν σε κλάσματα δευτερολέπτου. Η μίμηση αυτού του πολύπλοκου βιολογικού αισθητηριακού νευρικού συστήματος, συμπεριλαμβανομένων όλων των λειτουργικών στοιχείων στο δίκτυο των νευρώνων, εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση.
Μοναδικό αισθητήριο νευρικό σύστημα που «μιμείται» το πραγματικό
Οι ερευνητές δημιούργησαν ένα μοναδικό αισθητηριακό σύστημα ποτέ που θα μπορούσε να αναπαράγει τον τρόπο λειτουργίας του ανθρώπινου νευρικού συστήματος. Το «κύκλωμα τεχνητού νεύρου» που σχεδιάστηκε από ερευνητές ενσωματώνει τρία εξαρτήματα σε ένα επίπεδο, εύκαμπτο φύλλο μέτρησης λίγων εκατοστών. Αυτά τα εξαρτήματα έχουν περιγραφεί μεμονωμένα προηγουμένως. Το πρώτο στοιχείο είναι ένα άγγιγμα αισθητήρα which can detect forces and pressure (even mini ones). This sensor (made of οργανικές 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.
Οι ερευνητές εξέτασαν την ικανότητα αυτού του συστήματος να δημιουργεί αντανακλαστικά και επίσης να αισθάνεται την αφή. Σε ένα πείραμα προσάρτησαν το τεχνητό νεύρο τους σε ένα πόδι κατσαρίδας και άσκησαν μικροσκοπική πίεση στον αισθητήρα αφής τους. Ο ηλεκτρονικός νευρώνας μετέτρεψε το σήμα του αισθητήρα σε ψηφιακά σήματα και τα πέρασε μέσω του συναπτικού τρανζίστορ. Αυτό έκανε το πόδι της κατσαρίδας να συσπάται με βάση την αύξηση ή τη μείωση της πίεσης στον αισθητήρα αφής. Έτσι, αυτή η τεχνητή ρύθμιση σίγουρα ενεργοποίησε το αντανακλαστικό συσπάσεων. Σε ένα δεύτερο πείραμα, οι ερευνητές εμφάνισαν την ικανότητα του τεχνητού νεύρου να ανιχνεύει διαφορετικές αισθήσεις αφής, έχοντας τη δυνατότητα να διαφοροποιούν τα γράμματα Μπράιγ. Σε μια άλλη δοκιμή κύλησαν έναν κύλινδρο πάνω από τον αισθητήρα σε διαφορετικές κατευθύνσεις και μπόρεσαν να ανιχνεύσουν με ακρίβεια την ακριβή κατεύθυνση της κίνησης. Έτσι, αυτή η συσκευή είναι σε θέση να βελτιώσει την αναγνώριση αντικειμένων και την επεξεργασία λεπτών απτικών πληροφοριών, όπως η αναγνώριση υφής, η ανάγνωση μπράιγ και η διάκριση των άκρων των αντικειμένων.
Το μέλλον του τεχνητού αισθητηρίου νευρικού συστήματος
Αυτή η τεχνολογία τεχνητών νεύρων βρίσκεται σε πολύ πρώιμο στάδιο και δεν έχει φτάσει στο απαιτούμενο επίπεδο πολυπλοκότητας, αλλά έχει δώσει τεράστιες ελπίδες για τη δημιουργία τεχνητών δερματικών καλυμμάτων. Είναι σαφές ότι τέτοια «καλύμματα» θα απαιτούσαν επίσης συσκευές για την ανίχνευση θερμότητας, δονήσεων, πίεσης και άλλων δυνάμεων και αισθήσεων. Πρέπει να έχουν καλή ικανότητα να ενσωματώνονται σε ευέλικτα κυκλώματα, ώστε να μπορούν να διασυνδέονται αποτελεσματικά με τον εγκέφαλο. Για να μιμηθεί το δέρμα μας, η συσκευή πρέπει να έχει περισσότερη ενσωμάτωση και λειτουργικότητα που θα την κάνουν πιο σταθερή και αξιόπιστη.
Αυτή η τεχνολογία τεχνητών νεύρων θα μπορούσε να είναι ένα όφελος για την προσθετική και να αποκαταστήσει τις αισθήσεις στους ακρωτηριασμένους. Οι προσθετικές συσκευές έχουν βελτιωθεί πολύ κατά τη διάρκεια του έτους με περισσότερη διαθέσιμη τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης και συστήματα ρομποτικής με μεγαλύτερη απόκριση. Παρά αυτές τις αναβαθμίσεις, οι περισσότερες προσθετικές συσκευές που είναι διαθέσιμες σήμερα πρέπει να ελέγχονται με πολύ πρόχειρο τρόπο, καθώς δεν παρέχουν μια καλή ικανοποιητική διεπαφή με τον εγκέφαλο λόγω της έλλειψης ενσωμάτωσης των περιπλοκών του τεράστιου ανθρώπινου νευρικού συστήματος. Η συσκευή δεν δίνει ανατροφοδότηση και έτσι ο ασθενής αισθάνεται πολύ δυσαρεστημένος και τα απορρίπτει αργά ή γρήγορα. Μια τέτοια τεχνολογία τεχνητών νεύρων, όταν ενσωματωθεί επιτυχώς στα προσθετικά, θα παρέχει πληροφορίες αφής στους χρήστες και θα βοηθήσει στην παροχή στους ασθενείς καλύτερη εμπειρία. Αυτή η συσκευή είναι ένα μεγάλο βήμα προς τη δημιουργία αισθητηριακών νευρωνικών δικτύων που μοιάζουν με δέρμα για διάφορες εφαρμογές, παρέχοντας δυνάμεις αντανακλαστικών και αίσθησης αφής.
***
{Μπορείτε να διαβάσετε την αρχική ερευνητική εργασία κάνοντας κλικ στον σύνδεσμο DOI που δίνεται παρακάτω στη λίστα των αναφερόμενων πηγών}
Πηγές)
Οι Yeongin K et al. 2018. Ένα βιοεμπνευσμένο εύκαμπτο οργανικό τεχνητό προσαγωγό νεύρο. Επιστήμη. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
