Дослідники розробили штучну сенсорну нервову систему, яка може обробляти інформацію, подібно до людського тіла, і може ефективно передавати відчуття дотику протезам кінцівок
Наша шкіра, найбільший орган тіла, також є найважливішою, оскільки вона покриває все наше тіло, контролює температуру нашого тіла та захищає нас від шкідливих зовнішніх факторів, таких як сонце, аномальна температура, мікроби тощо. Наша шкіра може надзвичайно розтягуватися та відновлюватися. Шкіра також важлива, оскільки вона дає нам відчуття дотику, завдяки якому ми можемо приймати рішення. Шкіра для нас є складною чутливою та сигнальною системою.
У дослідженні, опублікованому в наука, дослідники на чолі з професором Женан Бао зі Стенфордського університету та Сеульського національного університету розробили штучний сенсорної нервової системи, яка може стати великим кроком до створення «штучної шкіри» для протезування кінцівки, які могли б відновити чутливість і діяти як нормальний шкірний покрив. Складним аспектом цього дослідження було те, як ефективно імітувати нашу шкіру, яка має кілька унікальних властивостей. Особливість, яку найважче імітувати, це те, як наша шкіра поводиться як розумна сенсорні мережа, яка спочатку передає відчуття в мозок, а також наказує нашим м’язам реагувати через рефлекс для швидкого прийняття рішень. Наприклад, постукування викликає розтягнення ліктьових м’язів, і датчики в цих м’язах посилають імпульс у мозок через нейрон. Потім нейрон посилає серію сигналів до відповідних синапсів. Синаптична мережа нашого тіла розпізнає схему раптового розтягування м’язів і надсилає два сигнали одночасно. Один сигнал викликає рефлекторне скорочення м’язів ліктя, а другий сигнал надходить до мозку, щоб повідомити про це відчуття. Уся ця послідовність подій відбувається майже за частки секунди. Імітація цієї складної біологічної сенсорної нервової системи, включаючи всі функціональні елементи в мережі нейронів, все ще залишається складною.
Унікальна сенсорна нервова система, яка «імітує» реальність
Дослідники створили унікальну сенсорну систему ніколи, яка могла б відтворити функціонування нервової системи людини. «Штучний нервовий ланцюг», розроблений дослідниками, об’єднує три компоненти в плоский гнучкий лист розміром кілька сантиметрів. Ці компоненти були окремо описані раніше. Перший компонент – дотик датчик які можуть визначати сили та тиск (навіть мініатюрні). Цей датчик (виготовлений з органічний полімери, вуглецеві нанотрубки та золоті електроди) посилають сигнали через другий компонент, гнучкий електронний нейрон. Обидва ці компоненти є розширеними та покращеними версіями того, що було розроблено тими ж дослідниками раніше. Сенсорні сигнали, які генеруються та проходять через ці два компоненти, доставляються до третього компонента, штучного синаптичного транзистора, який моделюється точно так само, як людські синапси в мозку. Усі ці три компоненти мають працювати злагоджено, і найважчим аспектом була демонстрація кінцевої функції. Реальні біологічні синапси передають сигнали та зберігають інформацію, необхідну для прийняття рішень. Цей синаптичний транзистор «виконує» ці функції, доставляючи електронні сигнали до синаптичного транзистора за допомогою штучного нервового ланцюга. Таким чином, ця штучна система вчиться розпізнавати сенсорні сигнали та реагувати на них на основі інтенсивності та частоти сигналів малої потужності, подібно до того, як це зробив би біологічний синапс у живому тілі. Новизна цього дослідження полягає в тому, як ці три окремі компоненти, які були відомі раніше, були вперше успішно інтегровані для створення цілісної системи.
Дослідники перевірили здатність цієї системи генерувати рефлекси, а також відчувати дотик. Під час одного експерименту вони прикріпили свій штучний нерв до лапки таргана та застосували невеликий тиск до датчика дотику. Електронний нейрон перетворював сигнал датчика в цифрові сигнали і пропускав їх через синаптичний транзистор. Це спричинило сіпання ноги таргана залежно від збільшення або зменшення тиску в датчику дотику. Отже, ця штучна установка, безумовно, активувала рефлекс посмикування. У другому експерименті дослідники продемонстрували здатність штучного нерва виявляти різні відчуття дотику, розрізняючи літери Брайля. В іншому тесті вони катали циліндр над датчиком у різних напрямках і змогли точно визначити точний напрямок руху. Таким чином, цей пристрій здатний покращити розпізнавання об’єктів і обробку тонкої тактильної інформації, як-от розпізнавання текстури, читання шрифтом Брайля та розрізнення країв об’єктів.
Майбутнє штучної сенсорної нервової системи
Ця технологія штучного нерва знаходиться на дуже ранній стадії і не досягла необхідного рівня складності, але вселяє величезну надію на створення штучних покривів шкіри. Зрозуміло, що такі «покриття» також потребуватимуть пристроїв для виявлення тепла, вібрації, тиску та інших сил і відчуттів. Вони повинні мати хорошу здатність вбудовуватися в гнучкі схеми, щоб вони могли ефективно взаємодіяти з мозком. Щоб імітувати нашу шкіру, пристрій повинен мати більше інтеграції та функціональності, що зробить його стабільнішим і надійнішим.
Ця технологія штучного нерва може стати благом для протезування та відновлення чутливості людей з ампутованими кінцівками. За рік протези значно покращилися, з’явившись більше технологій 3D-друку та більш чутливі роботизовані системи. Незважаючи на ці оновлення, більшістю доступних сьогодні протезів потрібно керувати в дуже жорсткий спосіб, оскільки вони не забезпечують належного задовільного інтерфейсу з мозком через брак включення тонкощів величезної нервової системи людини. Пристрій не дає зворотного зв’язку, тому пацієнт відчуває сильну незадоволеність і рано чи пізно відмовляється від них. Така технологія штучного нерва, якщо її успішно впровадити в протези, надаватиме користувачам інформацію про дотик і допоможе пацієнтам отримати кращий досвід. Цей пристрій є великим кроком до створення сенсорних нейронних мереж, схожих на шкіру, для різних додатків, надаючи рефлекси та відчуття дотику.
***
{Ви можете прочитати оригінальну дослідницьку роботу, натиснувши посилання DOI, наведене нижче в списку цитованих джерел(ів)}
Джерела
Yeongin K та ін. 2018. Біоінспірований гнучкий органічний штучний відвідний нерв. наука. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
