Даследчыкі распрацавалі штучную сэнсарную нервовую сістэму, якая можа апрацоўваць інфармацыю, падобна чалавечаму целе, і яна можа эфектыўна даваць пачуццё дотыку пратэзам канечнасцяў
Наша скура, самы вялікі орган цела, таксама з'яўляецца найбольш важным, паколькі яна пакрывае ўсё наша цела, кантралюе тэмпературу нашага цела і абараняе нас ад шкодных знешніх фактараў, такіх як сонца, ненармальная тэмпература, мікробы і г.д. Наша скура можа значна расцягвацца і аднаўляцца. Скура таксама важная, таму што яна дае нам пачуццё дотыку, дзякуючы якому мы можам прымаць рашэнні. Скура - гэта складаная сістэма адчування і сігналізацыі для нас.
У даследаванні, апублікаваным у навука, даследчыкі пад кіраўніцтвам прафесара Чжэнана Бао са Стэнфардскага ўніверсітэта і Сеульскага нацыянальнага ўніверсітэта распрацавалі штучны сэнсарнай нервовай сістэмы, што можа стаць вялікім крокам да стварэння "штучнай скуры". пратэзаванне канечнасці, якія могуць аднаўляць адчувальнасць і дзейнічаць як звычайны скурны полаг. Складаным аспектам гэтага даследавання было тое, як эфектыўна імітаваць нашу скуру, якая валодае некалькімі унікальнымі ўласцівасцямі. Асаблівасць, якую найбольш складана пераймаць, - гэта тое, як наша скура паводзіць сябе як разумная сэнсарны сетка, якая спачатку перадае адчуванні ў мозг, а таксама загадвае нашым цягліцам рэагаваць праз рэфлекс для прыняцця хуткіх рашэнняў. Напрыклад, націсканне выклікае расцяг локцевых цягліц, і датчыкі ў гэтых цягліцах пасылаюць імпульс у мозг праз нейрон. Затым нейрон пасылае шэраг сігналаў у адпаведныя сінапсы. Сінаптычная сетка ў нашым целе распазнае схему раптоўнага расцяжэння цягліц і пасылае два сігналы адначасова. Адзін сігнал выклікае рэфлекторнае скарачэнне локцевых цягліц, а другі сігнал паступае ў мозг, каб паведаміць аб гэтым адчуванні. Уся гэтая паслядоўнасць падзей адбываецца амаль за долю секунды. Імітацыя гэтай складанай біялагічнай сэнсарнай нервовай сістэмы, уключаючы ўсе функцыянальныя элементы ў сетцы нейронаў, па-ранейшаму застаецца складанай задачай.
Унікальная сэнсарная нервовая сістэма, якая "імітуе" рэальнае
Даследчыкі стварылі унікальную сэнсарную сістэму ніколі, якая магла б паўтарыць, як функцыянуе нервовая сістэма чалавека. «Штучная нервовая схема», распрацаваная даследчыкамі, аб'ядноўвае тры кампаненты ў плоскі гнуткі ліст памерам некалькі сантыметраў. Гэтыя кампаненты былі асобна апісаны раней. Першы кампанент - дотык датчык які можа вызначаць сілы і ціск (нават міні). Гэты датчык (выраблены з арганічны палімеры, вугляродныя нанатрубкі і залатыя электроды) пасылаюць сігналы праз другі кампанент, гнуткі электронны нейрон. Абодва гэтыя кампаненты з'яўляюцца пашыранымі і палепшанымі версіямі таго, што было распрацавана тымі ж даследчыкамі раней. Сэнсарныя сігналы, якія ствараюцца і праходзяць праз гэтыя два кампаненты, дастаўляюцца да трэцяга кампанента, штучнага сінаптычнага транзістара, які мадэлюецца сапраўды гэтак жа, як чалавечыя сінапсы ў мозгу. Усе гэтыя тры кампаненты павінны працаваць зладжана, і дэманстрацыя канчатковай функцыі была самым складаным аспектам. Рэальныя біялагічныя сінапсы перадаюць сігналы і захоўваюць інфармацыю, неабходную для прыняцця рашэнняў. Гэты сінаптычны транзістар "выконвае" гэтыя функцыі, дастаўляючы электронныя сігналы сінаптычнаму транзістару з дапамогай штучнага нервовага ланцуга. Такім чынам, гэтая штучная сістэма вучыцца распазнаваць сэнсарныя сігналы і рэагаваць на іх, грунтуючыся на інтэнсіўнасці і частаце маламагутных сігналаў, як біялагічны сінапс у жывым целе. Навізна гэтага даследавання заключаецца ў тым, як гэтыя тры індывідуальныя кампаненты, якія былі вядомыя раней, былі ўпершыню паспяхова інтэграваны для стварэння згуртаванай сістэмы.
Даследчыкі праверылі здольнасць гэтай сістэмы выпрацоўваць рэфлексы, а таксама адчуваць дотык. У адным эксперыменце яны прымацавалі свой штучны нерв да лапкі таракана і прыклалі невялікі ціск да датчыка дотыку. Электронны нейрон пераўтвараў сігнал датчыка ў лічбавы сігнал і прапускаў яго праз сінаптычны транзістар. Гэта прывяло да таго, што нага таракана тузалася ў залежнасці ад павышэння ці памяншэння ціску ў датчыку дотыку. Такім чынам, гэтая штучная ўстаноўка, безумоўна, актывавала рэфлекс тузання. У другім эксперыменце даследчыкі прадэманстравалі здольнасць штучнага нерва выяўляць розныя адчуванні дотыку, адрозніваючы літары Брайля. У іншым тэсце яны каталі цыліндр па датчыку ў розных напрамках і змаглі дакладна вызначыць дакладны кірунак руху. Такім чынам, гэта прылада здольна палепшыць распазнаванне аб'ектаў і апрацоўку тонкай тактыльнай інфармацыі, напрыклад, распазнаванне тэкстуры, чытанне шрыфта Брайля і адрозненне краёў аб'ектаў.
Будучыня штучнай сэнсарнай нервовай сістэмы
Гэтая тэхналогія штучнага нерва знаходзіцца на вельмі ранняй стадыі і не дасягнула неабходнага ўзроўню складанасці, але дае велізарную надзею на стварэнне штучных скураных пакрыццяў. Зразумела, што для такіх «пакрыццяў» таксама спатрэбяцца прылады для выяўлення цяпла, вібрацыі, ціску і іншых сіл і адчуванняў. Яны павінны мець добрую здольнасць убудоўвацца ў гнуткія схемы, каб яны маглі эфектыўна ўзаемадзейнічаць з мозгам. Каб імітаваць нашу скуру, прылада павінна мець больш інтэграцыі і функцыянальнасці, што зробіць яе больш стабільнай і надзейнай.
Гэтая тэхналогія штучнага нерва можа быць дабром для пратэзавання і аднаўлення адчуванняў у людзей з ампутацыяй. Пратэзы значна палепшыліся за год з большай колькасцю даступных тэхналогій 3D-друку і больш спагаднымі робататэхнічнымі сістэмамі. Нягледзячы на гэтыя мадэрнізацыі, большасць пратэзаў, даступных сёння, павінны кантралявацца вельмі груба, паколькі яны не забяспечваюць добрага задавальняючага ўзаемадзеяння з мозгам з-за адсутнасці ўключэння тонкасцей велізарнай нервовай сістэмы чалавека. Прылада не дае зваротнай сувязі, таму пацыент адчувае сябе вельмі незадаволеным і рана ці позна адмаўляецца ад іх. Такая тэхналогія штучнага нерва пры паспяховым уключэнні ў пратэзы будзе дастаўляць карыстальнікам інфармацыю аб дакрананні і дасць магчымасць пацыентам атрымаць лепшы вопыт. Гэта прылада з'яўляецца вялікім крокам на шляху да стварэння падобных на скуру сэнсарных нейронавых сетак для розных прыкладанняў, даючы магчымасці рэфлексаў і адчування дотыку.
***
{Вы можаце прачытаць арыгінальную даследчую працу, націснуўшы на спасылку DOI, прыведзены ніжэй у спісе цытуемых крыніц}
Крыніца (я)
Ёнгін К і інш. 2018. Біяінспіраваны гнуткі арганічны штучны адводзіць нерв. навука. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
