РЕКЛАМА

Изкуствена сензорна нервна система: полза за протезирането

ИНЖЕНЕРИНГ И ТЕХНОЛОГИЯИзкуствена сензорна нервна система: полза за протезирането

Изследователите са разработили изкуствена сензорна нервна система, която може да обработва информация, подобна на човешкото тяло, и ефективно да дава усещане за допир на протезните крайници

Нашата кожа, най-големият орган на тялото, също е най-важният, тъй като покрива цялото ни тяло, контролира телесната ни температура и ни предпазва от вредни външни фактори като слънце, ненормални температури, микроби и т.н. Кожата ни може забележително да се разтяга и може да се възстанови. Кожата също е важна, защото ни осигурява усещане за допир, чрез което можем да вземаме решения. Кожата е сложна сензорна и сигнална система за нас.

В проучване, публикувано в наука, изследователи, ръководени от проф. Женан Бао от Станфордския университет и Сеулския национален университет, са разработили изкуствен сензорна нервна система, която може да бъде голяма стъпка към създаването на „изкуствена кожа“ за протези крайници, които биха могли да възстановят усещането и да действат като нормална кожна покривка. Предизвикателният аспект на това проучване беше как ефективно да имитираме кожата си, която притежава няколко уникални свойства. Характеристиката, която е най-трудна за имитация, е начинът, по който кожата ни действа като умна сетивен мрежа, която първо предава усещанията на мозъка и също така нарежда на мускулите ни да реагират чрез рефлекс, за да вземат бързи решения. Например, докосване причинява разтягане на мускулите на лакътя и сензорите в тези мускули изпращат импулс към мозъка през неврон. След това невронът изпраща серия от сигнали до съответните синапси. Синаптичната мрежа в нашето тяло разпознава модела на внезапно разтягане на мускулите и изпраща два сигнала едновременно. Един сигнал кара мускулите на лакътя да се свиват като рефлекс, а вторият сигнал отива в мозъка, за да информира за това усещане. Цялата тази последователност от събития се случва за почти част от секундата. Имитирането на тази сложна биологична сензорна нервна система, включваща всички функционални елементи в мрежата от неврони, все още остава предизвикателство.

Уникална сензорна нервна система, която „имитира“ истинската

Изследователите са създали уникална сензорна система, която може да повтори как функционира човешката нервна система. „Изкуствената нервна верига“, проектирана от изследователи, интегрира три компонента в плосък, гъвкав лист с размери няколко сантиметра. Тези компоненти са описани индивидуално по-рано. Първият компонент е докосване сензор който може да открие сили и натиск (дори и мини). Този сензор (направен от органични полимери, въглеродни нанотръби и златни електроди) изпраща сигнали през втори компонент, гъвкав електронен неврон. И двата компонента са подобрени и подобрени версии на това, което е разработено от същите изследователи преди. Сензорните сигнали, генерирани и предавани през тези два компонента, се доставят на трети компонент, изкуствен синаптичен транзистор, който е моделиран точно като човешки синапси в мозъка. Всички тези три компонента трябва да работят сплотено и демонстрирането на крайната функция беше най-предизвикателният аспект. Истинските биологични синапси предават сигнали и съхраняват информация, която е необходима за вземане на решения. Този синаптичен транзистор „изпълнява“ тези функции, като доставя електронни сигнали към синаптичния транзистор чрез използване на изкуствената нервна верига. Следователно, тази изкуствена система се научава да разпознава и реагира на сензорни входове въз основа на интензитета и честотата на сигналите с ниска мощност, точно както биологичният синапс би действал в живо тяло. Новостта на това проучване е как тези три отделни компонента, които са известни преди, са интегрирани успешно за първи път, за да осигурят сплотена система.

Изследователите тестваха способността на тази система да генерира рефлекси и да усеща докосване. В един експеримент те прикрепиха изкуствения си нерв към крака на хлебарка и приложиха малък натиск върху сензора си за докосване. Електронният неврон преобразува сензорния сигнал в цифрови сигнали и ги предава през синаптичния транзистор. Това накара крака на хлебарката да потрепва въз основа на увеличаване или намаляване на налягането в сензора за докосване. Така че тази изкуствена настройка със сигурност активира рефлекса на потрепване. Във втори експеримент изследователите показаха способността на изкуствения нерв да открива различни усещания за докосване, като може да разграничи брайлови букви. При друг тест те завъртяха цилиндър над сензора в различни посоки и успяха да открият точно точната посока на движението. По този начин това устройство е в състояние да подобри разпознаването на обекти и фината тактилна обработка на информация като разпознаване на текстура, четене на Брайл и разграничаване на ръбове на обекти.

Бъдещето на изкуствената сензорна нервна система

Тази технология за изкуствени нерви е в много ранен етап и не е достигнала необходимото ниво на сложност, но дава огромна надежда за създаване на изкуствени кожни покрития. Ясно е, че подобни „покрития“ също ще изискват устройства за откриване на топлина, вибрации, налягане и други сили и усещания. Те трябва да имат добра способност да се вграждат в гъвкави вериги, така че да могат ефективно да се свързват с мозъка. За да имитира кожата ни, устройството трябва да има повече интеграция и функционалност, което ще го направи по-стабилно и надеждно.

Тази технология за изкуствени нерви може да бъде благодат за протезиране и възстановяване на усещанията при ампутирани. Протетичните устройства се подобриха много през годината с повече налични технологии за 3D печат и по-отзивчиви роботизирани системи. Въпреки тези подобрения, повечето протези, налични днес, трябва да бъдат контролирани по много груб начин, тъй като не осигуряват добър удовлетворяващ интерфейс с мозъка поради липса на включване на тънкостите на огромната човешка нервна система. Устройството не дава обратна връзка и по този начин пациентът се чувства много недоволен и рано или късно ги изхвърля. Такава технология за изкуствени нерви, когато бъде успешно включена в протезирането, ще предостави информация за докосване на потребителите и ще помогне да се осигури на пациентите по-добро изживяване. Това устройство е голяма стъпка към създаването на подобни на кожата сензорни невронни мрежи за различни приложения, като предоставя правомощия за рефлекс и докосване.

***

{Можете да прочетете оригиналната изследователска статия, като щракнете върху връзката DOI, дадена по-долу в списъка с цитирани източници}

Източник (и)

Yeongin K et al. 2018. Биоинспириран гъвкав органичен изкуствен аферентен нерв. наукаhttps://doi.org/10.1126/science.aao0098

Екип на SCIEU
Екип на SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Scientific European® | SCIEU.com | Значителен напредък в науката. Въздействие върху човечеството. Вдъхновяващи умове.

Абонирай се за нашия бюлетин

Да се ​​актуализира с всички най-нови новини, оферти и специални съобщения.

- Реклама -

Най-популярни статии

Нов лек за вродена слепота

Проучването показва нов начин за обръщане на генетичната слепота...

От какво в крайна сметка сме съставени? Кои са основните градивни елементи на...

Древните хора са смятали, че сме съставени от четири...
- Реклама -
99,801Феновекато
69,905последователиСледвай ни
6,333последователиСледвай ни
31АбонатиЗапиши се