Ang mga mananaliksik ay nakabuo ng isang artificial sensory nerve system na maaaring magproseso ng impormasyon na katulad ng katawan ng tao at ito ay epektibong makapagbibigay ng sense of touch sa mga prosthetic limbs
Ang ating balat, ang pinakamalaking organ ng katawan, ay ang pinakamahalaga rin dahil sinasaklaw nito ang ating buong katawan, kinokontrol ang temperatura ng ating katawan at pinoprotektahan tayo mula sa mga nakakapinsalang panlabas na salik tulad ng araw, abnormal na temperatura, mikrobyo atbp. Ang ating balat ay kapansin-pansing umunat at kayang ayusin ang sarili nito. Mahalaga rin ang balat dahil nagbibigay ito sa atin ng pakiramdam ng pagpindot kung saan nakakagawa tayo ng mga desisyon. Ang balat ay isang kumplikadong sensing at signaling system para sa amin.
Sa isang pag-aaral na inilathala sa agham, ang mga mananaliksik na pinamumunuan ni Prof Zhenan Bao sa Stanford University at Seoul National University ay nakabuo ng isang artipisyal sensory nerve system na maaaring maging isang malaking hakbang patungo sa paglikha ng "artipisyal na balat" para sa mga prosthetics limbs na maaaring ibalik ang sensasyon at kumilos tulad ng isang normal na takip ng balat. Ang mapaghamong aspeto ng pag-aaral na ito ay kung paano epektibong gayahin ang ating balat na nagtataglay ng ilang natatanging katangian. Ang tampok na pinakamahirap gayahin ay ang paraan kung saan kumikilos ang ating balat na parang matalino madaling makaramdam network na unang nagpapadala ng mga sensasyon sa utak at nag-uutos din sa ating mga kalamnan na mag-react sa pamamagitan ng reflex upang makagawa ng maagang mga desisyon. Halimbawa, ang pag-tap ay nagiging sanhi ng pag-unat ng mga kalamnan ng siko, at ang mga sensor sa mga kalamnan na ito ay nagpapadala ng salpok sa utak sa pamamagitan ng isang neuron. Ang neuron pagkatapos ay nagpapadala ng isang serye ng mga signal sa mga nauugnay na synapses. Kinikilala ng synaptic network sa ating katawan ang pattern ng biglaang pag-stretch sa mga kalamnan at nagpapadala ng dalawang signal nang sabay-sabay. Ang isang senyas ay nagiging sanhi ng pagkontrata ng mga kalamnan ng siko bilang isang reflex at ang pangalawang senyas ay napupunta sa utak upang ipaalam ang tungkol sa sensasyong ito. Ang buong pagkakasunod-sunod ng kaganapan ay nangyayari sa halos isang bahagi ng segundo. Ang paggaya sa kumplikadong biological sensory nerve system kasama ang lahat ng functional na elemento sa network ng mga neuron ay nananatiling mahirap.
Natatanging sensory nerve system na "ginagaya" ang tunay
Ang mga mananaliksik ay lumikha ng isang natatanging sensory never system na maaaring magtiklop kung paano gumagana ang nervous system ng tao. Ang "artificial nerve circuit" na idinisenyo ng mga mananaliksik ay nagsasama ng tatlong bahagi sa isang patag, nababaluktot na sheet na may sukat na ilang sentimetro. Ang mga sangkap na ito ay indibidwal na inilarawan dati. Ang unang bahagi ay isang pagpindot sensor na maaaring makakita ng mga puwersa at presyon (kahit na mga mini). Ang sensor na ito (ginawa sa ng bahagi ng katawan polymers, carbon nanotubes at gold electrodes) ay nagpapadala ng mga signal sa pamamagitan ng pangalawang bahagi, isang nababaluktot na electronic neuron. Ang parehong mga sangkap na ito ay pinahusay at pinahusay na mga bersyon ng kung ano ang binuo ng parehong mga mananaliksik bago. Ang mga sensory signal na nabuo at dumaan sa dalawang bahaging ito ay inihahatid sa isang ikatlong bahagi, isang artipisyal na synaptic transistor na na-modelo nang eksakto tulad ng mga synapses ng tao sa utak. Ang lahat ng tatlong sangkap na ito ay kailangang gumana nang magkakaugnay at ang pagpapakita ng pangwakas na pag-andar ay ang pinaka-mapanghamong aspeto. Ang mga tunay na biological synapses ay nagre-relay ng mga signal at nag-iimbak ng impormasyon na kinakailangan para makapagpasya. "Ginagampanan" ng synaptic transistor na ito ang mga function na ito sa pamamagitan ng paghahatid ng mga electronic signal sa synaptic transistor sa pamamagitan ng paggamit ng artipisyal na nerve circuit. Samakatuwid, natututo ang artipisyal na sistemang ito na makilala at tumugon sa mga sensory input batay sa intensity at dalas ng mga signal na mababa ang kapangyarihan, kung paano gagawin ng biological synapse sa isang buhay na katawan. Ang pagiging bago ng pag-aaral na ito ay kung paano matagumpay na naisama ang tatlong indibidwal na sangkap na ito na dati nang kilala sa unang pagkakataon upang makapaghatid ng magkakaugnay na sistema.
Sinubukan ng mga mananaliksik ang kakayahan ng sistemang ito na makabuo ng mga reflexes at makaramdam din ng pagpindot. Sa isang eksperimento, ikinabit nila ang kanilang artificial nerve sa isang binti ng ipis at inilapat ang maliit na presyon sa kanilang touch sensor. Ang electronic neuron ay nag-convert ng sensor signal sa mga digital na signal at ipinasa ang mga ito sa pamamagitan ng synaptic transistor. Nagdulot ito ng pagkibot ng binti ng ipis batay sa pagtaas o pagbaba ng presyon sa touch sensor. Kaya, tiyak na na-activate ng artipisyal na setup na ito ang twitch reflex. Sa pangalawang eksperimento, ipinakita ng mga mananaliksik ang kakayahan ng artificial nerve sa pag-detect ng iba't ibang sensasyon ng pagpindot sa pamamagitan ng kakayahang pag-iba-iba ang mga titik ng Braille. Sa isa pang pagsubok ay inilunsad nila ang isang silindro sa ibabaw ng sensor sa iba't ibang direksyon at nagawang tumpak na makita ang eksaktong direksyon ng paggalaw. Kaya, nagagawa ng device na ito na mapabuti ang pagkilala ng bagay at pinong pagpoproseso ng impormasyon ng tactile tulad ng pagkilala sa texture, pagbabasa ng braille at pagkilala sa mga gilid ng mga bagay.
Hinaharap ng artipisyal na sensory nerve system
Ang teknolohiyang artipisyal na nerve na ito ay nasa napakaagang yugto at hindi pa umabot sa kinakailangang antas ng pagiging kumplikado ngunit nagbigay ng napakalaking pag-asa para sa paglikha ng mga artipisyal na panakip sa balat. Malinaw na mangangailangan din ng mga device ang naturang "mga takip" para maka-detect ng init, vibration, pressure at iba pang pwersa at sensasyon. Dapat silang magkaroon ng isang mahusay na kakayahan sa pagkuha ng naka-embed sa nababaluktot na mga circuit upang epektibo silang makapag-interface sa utak. Upang gayahin ang ating balat, ang device ay kailangang magkaroon ng higit na integration at functionality na gagawing mas matatag at maaasahan.
Ang teknolohiyang artipisyal na nerve na ito ay maaaring maging isang biyaya para sa mga prosthetics at pagpapanumbalik ng mga sensasyon sa mga na-ampute. Ang mga prosthetic na device ay bumuti nang husto sa paglipas ng taon na may mas maraming 3D printing technology na magagamit at mas tumutugon na mga robotics system. Sa kabila ng mga pag-upgrade na ito, ang karamihan sa mga prosthetic na device na magagamit ngayon ay kailangang kontrolin sa napakahirap na paraan dahil hindi sila nagbibigay ng magandang interface sa utak dahil sa kakulangan ng pagsasama ng mga intricacies ng malawak na sistema ng nerbiyos ng tao. Ang aparato ay hindi nagbibigay ng feedback at sa gayon ang pasyente ay nakakaramdam ng labis na hindi nasisiyahan at itinatapon ang mga ito sa lalong madaling panahon o huli. Ang ganitong artipisyal na teknolohiya ng nerve kapag matagumpay na isinama sa mga prosthetics ay maghahatid ng impormasyon sa pagpindot para sa mga user at makakatulong sa pagbibigay sa mga pasyente ng mas magandang karanasan. Ang device na ito ay isang malaking hakbang patungo sa paggawa ng mga parang balat na sensory neural network para sa iba't ibang aplikasyon sa pamamagitan ng pagbibigay ng mga kapangyarihan ng reflex at touch sense.
***
{Maaari mong basahin ang orihinal na papel ng pananaliksik sa pamamagitan ng pag-click sa link ng DOI na ibinigay sa ibaba sa listahan ng (mga) binanggit na pinagmulan}
Pinagmulan (s)
Yeongin K et al. 2018. Isang bioinspired na flexible na organic na artificial afferent nerve. agham. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
