Είμαστε ένα βήμα πιο κοντά στη δημιουργία τεχνητού δέρματος με μια αίσθηση της αφής

George Dvorsky 09/22/2017. 11 comments
Futurism Assistive Devices Prosthetics Artificial Skin Biotechnology Biology Science Neuroscience

Τα πρόστιμα πρόσκρουσης είναι εκπληκτικά, αλλά δεν έχουν ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό: μια αίσθηση της αφής. Τώρα μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ έχει αναπτύξει τεχνητό δέρμα που μπορεί να αισθανθεί τη δύναμη που ασκείται από αντικείμενα - και στη συνέχεια να μεταδώσει αυτά τα αισθητήρια σήματα στα κύτταρα του εγκεφάλου.

Η ανεπαρκής ανατροφοδότηση των αισθήσεων είναι ένας σοβαρός περιορισμός των σημερινών προσθετικών άκρων, είτε είναι τεχνητά χέρια, όπλα ή πόδια. Οι χρήστες πρέπει να είναι σε θέση να αντιληφθούν πώς ένα αντικείμενο ανταποκρίνεται στην αφή τους για να έχει τον βέλτιστο έλεγχο του κινητήρα. Διαφορετικά, είναι δύσκολο να γνωρίζουμε πόση δύναμη ασκείστε σε ένα αντικείμενο ή αισθανόμαστε πράγματα όπως η θερμοκρασία και η υφή. Επιπλέον, η αίσθηση της αφής - ή ακόμα και η ψευδαίσθηση της - μπορεί να ανακουφίσει τον πόνο του φανταστικού άκρου, που επηρεάζει περίπου το 80% των ακρωτηριασμένων.

Εξακολουθούμε να είμαστε πολύ μακριά από το να μπορούμε να δημιουργήσουμε τεχνητό δέρμα που αισθάνεται και αντιδρά με τον ίδιο τρόπο που κάνει και το φυσικό δέρμα, αλλά η ομάδα του Στάνφορντ, με επικεφαλής τον ηλεκτρολόγο μηχανικό Benjamin Tee , πραγματοποίησε πρόσφατα ένα πείραμα απόδειξης ιδέας που λαμβάνει μας ένα σημαντικό βήμα πιο κοντά.

Τεντώσιμο δέρμα με ευέλικτους τεχνητούς μηχανικούς υποδοχείς (Credit: Bao Research Group / Πανεπιστήμιο του Stanford

Χρησιμοποιώντας ευέλικτα οργανικά κυκλώματα και έναν καινοτόμο νέο αισθητήρα πίεσης, η ομάδα της Tee ανέπτυξε ένα είδος τεχνητού δέρματος που μπορεί να αισθανθεί τη δύναμη των στατικών αντικειμένων. Επιπλέον, αυτά τα αισθητήρια δεδομένα μεταδόθηκαν έπειτα σε καλλιεργημένα, δηλ. In in vitro , εγκεφαλικά κύτταρα ποντικών χρησιμοποιώντας οπτογονιδιακή τεχνολογία. Έχουν δημοσιεύσει τα αποτελέσματα των εργασιών τους στο περιοδικό Science .

Tiny Pyramids of Touch

Το σύστημα, το οποίο ονομάζεται DiTact (Ψηφιακό Οπτικό Σύστημα), βασίζεται σε ένα κύκλωμα χαμηλής ισχύος, εύκαμπτο οργανικό τρανζίστορ που μετατρέπει το αίσθημα πίεσης στο ίδιο είδος σημάτων που δημιουργούνται φυσικά από τους μηχανικούς υποδοχείς του φυσικού δέρματος. Αυτά τα σήματα με τη σειρά τους μετατράπηκαν σε μια σειρά παλμών τάσης.

Το σύστημα DiTact (Credit: Tee κ.ά., 2015 / Science)

Για να επιτύχουν οι αισθητήρες να καταγράφουν το ευρύ δυναμικό εύρος πίεσης, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν νανοσωλήνες άνθρακα διαμορφωμένους σε πυραμιδικές δομές.

"Ο αισθητήρας μας ήταν κατασκευασμένος από μικροσκοπικές πυραμίδες από καουτσούκ με νανοσωλήνες άνθρακα που διανέμονται σε αυτό", σημειώνει ο συν-συγγραφέας της μελέτης Alex Chortos σε ένα μήνυμα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου στο Gizmodo. "Αυτή η δομή ήταν πολύ χρήσιμη επειδή μας επέτρεψε να αλλάξουμε εύκολα μερικά πράγματα, όπως η απόσταση μεταξύ των πυραμίδων, το μέγεθος των πυραμίδων και η συγκέντρωση των νανοσωλήνων άνθρακα, προκειμένου να έχουμε τα ιδανικά χαρακτηριστικά ανίχνευσης πίεσης στο σωστό εύρος. "

Αυτές οι μικροδομές επέτρεψαν στους ερευνητές να μεγιστοποιήσουν την ευαισθησία των αισθητήρων κατά τρόπο που προσεγγίζει πολύ την ευαισθησία των δερματικών υποδοχέων του φυσικού δέρματος.

Transferring Signals

Από μόνα τους, αυτά τα σήματα δεν κάνουν τίποτα. Προκειμένου να αποκτήσουν εμπειρία ως αισθητήρια ανατροφοδότηση, πρέπει να μεταδοθούν σε έναν εγκέφαλο. Για το σκοπό αυτό, οι ερευνητές πήραν αυτά τα σήματα, τα οποία κυμαίνονταν μεταξύ 0 και 200 ​​hertz, και τα διαβίβαζαν μέσω οπτικών ινών στους φλοιώδεις νευρώνες των ποντικών. Το DiTact βρίσκεται ακόμα σε πρώιμο στάδιο ανάπτυξης, έτσι οι ερευνητές μεταδίδουν τα σήματα σε καλλιεργημένα κύτταρα in vitro , μάλλον στους εγκεφάλους των ζώντων ποντικών.

Το σύστημα DiTact (Credit: Tee κ.ά., 2015 / Science)

Αυτή η τεχνική, που αναφέρεται ως οπτογενετική, θα μπορούσε τελικά να χρησιμοποιηθεί σε ζωντανά άτομα. Μέσω αυτής της διαδικασίας, οι νευρώνες διεγείρονται να πυροδοτούν ή να σταματήσουν την πυροδότηση από γενετικά μηχανικούς νευρώνες που ανταποκρίνονται στο φως. Ένα διαγονίδιο από τα άλγη καθιστά τους νευρώνες φωτιά όταν εκτίθενται σε μπλε φως και ένα βακτηριακό διαγονίδιο τους αναγκάζει να ανταποκριθούν στο κίτρινο φως.

Αλλά για αυτό το πείραμα, οι ερευνητές έπρεπε να χρησιμοποιήσουν μια εναλλακτική λύση οπτογονιδίων για να υπολογίσουν τον ταχύ ρυθμό με τον οποίο οι αισθητικές πληροφορίες επεξεργάζονται από τους νευρώνες.

"Οι βιολογικοί μηχανικοί υποδοχείς είναι σε θέση να παράγουν σήματα τόσο γρήγορα όσο αρκετές εκατοντάδες ηλεκτρικούς παλμούς ανά δευτερόλεπτο", λέει ο Chortos. "Οι προηγούμενες τεχνολογίες οπτογονιδίων ήταν μόνο ικανές να διεγείρουν τα κύτταρα του εγκεφάλου πολύ πιο αργά από ό, τι χρειάζεται για να μιμηθούμε πραγματικούς μηχανικούς υποδοχείς".

Ο Χόρτος επισημαίνει το έργο των Andre Berndt και Karl Deisseroth, οι οποίοι ανέπτυξαν ένα νέο είδος οπτογενετικής θεραπείας που επιτρέπει στα εγκεφαλικά κύτταρα να διεγείρονται πολύ γρήγορα, ώστε να είναι συμβατά με την ταχύτητα των πραγματικών μηχανικών υποδοχέων.

Η ερευνητική ομάδα του Tee δείχνει ότι οι νέες οπτογονετικές πρωτεΐνες ήταν σε θέση να φιλοξενήσουν μεγαλύτερα διαστήματα διέγερσης, γεγονός που αποτελεί ισχυρή ένδειξη ότι το σύστημα μπορεί να είναι συμβατό με άλλους νευρώνες ταχείας ανάπτυξης, συμπεριλαμβανομένων των περιφερικών νεύρων. Με άλλα λόγια, το DiTact θα λειτουργήσει πιθανώς σε ζωντανά ποντίκια, και ενδεχομένως σε ανθρώπους. Και πράγματι, οι ερευνητές είπαν στο Gizmodo ότι το επόμενο βήμα στην έρευνά τους θα είναι να χρησιμοποιήσουν τον αισθητήρα τους για να τονώσουν το νεύρο των ζωντανών ποντικών.

From Science Fiction to Reality
From Science Fiction to Reality

Δεδομένου ότι τα σήματα μεταδόθηκαν σε συσσωματώματα κυττάρων σε ένα πιάτο Petri και όχι σε ένα ζωντανό ζώο, πώς θα μπορούσαν να είναι σίγουροι ότι τα σήματα τους είχαν τη σωστή φύση και ένταση;

«Θα μπορούσαμε να επιβεβαιώσουμε ότι ο αισθητήρας μας μεταφέρει τις σωστές πληροφορίες σε ένα ζωντανό ζώο χρησιμοποιώντας συμπεριφοριστικές ενδείξεις, δηλαδή πώς συμπεριφέρεται το ζώο ως απάντηση στην πίεση», δήλωσε ο Χόρτος. "Η τελική δοκιμή θα είναι να επισυνάψετε τον αισθητήρα σε έναν άνθρωπο και να του ζητήσετε τι αισθάνονται. Για να έχουμε πραγματικά φυσική αίσθηση της αφής, ίσως χρειαστεί να τροποποιήσουμε και να τροποποιήσουμε το σχεδιασμό μας. "

Πράγματι, ο απώτερος στόχος είναι να εμπλουτίσει την ανθρώπινη προσθετική με τεχνητό δέρμα ευαίσθητο στην αφή.

"Θεωρούμε ότι οι τεχνητοί μηχανικοί υποδοχείς μας κάνουν τον μεγαλύτερο αντίκτυπο μέσω της ενσωμάτωσης για αισθητηριακή ανατροφοδότηση με προσθετικά συστήματα που αναπτύσσονται από άλλες ομάδες", σημείωσε η συν-συγγραφέας Amanda Nguyen. "Καθώς ο αισθητήρας μας θα τοποθετηθεί παράλληλα με τα τεχνητά συστήματα των άκρων, οι κύριες ανησυχίες για την ασφάλεια επικεντρώνονται γύρω από τα μοτίβα διέγερσης των νεύρων και τη διεπαφή."

Ο Nguyen λέει ότι η πρόωρη εργασία με αισθητική ανατροφοδότηση με νευροπροστατικά στους ανθρώπους έχει πολλά υποσχόμενη, αλλά υπάρχει ανάγκη για μεγαλύτερες και πιο εμπλεκόμενες μελέτες στον άνθρωπο για να κατανοήσουμε πώς να διεγείρουμε αποτελεσματικά και με ασφάλεια τα νεύρα για να παρέχουμε αισθητηριακή ανατροφοδότηση.

"Καθώς αποκτάται μεγαλύτερη κατανόηση των παραμέτρων διέγερσης, η παραγωγή του τεχνητού μηχανικού υποδοχέα μας θα συντονιστεί για να ακολουθήσει αυτά τα παραδείγματα διέγερσης", ανέφερε. «Με την αποδεδειγμένη αποτελεσματικότητα και ασφάλεια, οι δυνατότητες βελτίωσης της ποιότητας ζωής των ατόμων με απτικές διαταραχές μπορούν να εξισορροπηθούν με τις ηθικές ανησυχίες που προκαλεί η νευροπροστατική. Η προσβασιμότητα αυτού του τύπου τεχνολογίας στους ανθρώπους θα αυξηθεί καθώς τόσο η κατανόηση της νευροεπιστήμης μας μεγαλώνει όσο και η προσθετική τεχνολογία προχωρά ώστε να παρέχει αποχρωματισμένες αισθητήριες αντιλήψεις ».

Πράγματι, αυτή η οδός έρευνας θα γίνει ασφαλέστερη και λιγότερο ηθικά αμφίβολη με την πάροδο του χρόνου. Για να λειτουργήσουν σωστά και με ασφάλεια οι οπτογενετικές στους ανθρώπους, για παράδειγμα, οι ερευνητές θα πρέπει να βρουν έναν τρόπο να αποκτήσουν optogenetics χωρίς να στραφούν σε διηθητικά καλώδια οπτικών ινών και την παράδοση των διαγονιδίων σε ασθενείς.

Σύμφωνα με την Polina Anikeeva, καθηγητή Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο MIT, μπορεί σύντομα να γίνει δυνατή η χρήση βλαστοκυττάρων από τον ασθενή και να καταστεί δυνατή η ευαισθησία τους σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος φωτός μέσω γενετικού χειρισμού εκτός του σώματος. Είπε στο Gizmodo ότι αυτά τα κύτταρα μπορούν στη συνέχεια να επανεισάγονται ενδεχομένως στο περιφερικό νεύρο του ασθενούς επιτρέποντας στον τελευταίο να διεγείρεται οπτικά. Δεν υπάρχουν καλώδια, δεν υπάρχει ηθικά αμφίβολο trans-γονίδια. Η Anikeeva λέει ότι μπορεί επίσης να είναι δυνατή η χρήση νευρικής διέγερσης για να ενισχυθεί η ικανότητα του νεύρου να αναγεννηθεί ή ακόμα και να σχηματίσει στενές διεπαφές με συνθετικούς αισθητήρες.

Αρκεί να πούμε ότι δεν θα δούμε τέτοιες τεχνολογίες εδώ και χρόνια, αν όχι δεκαετίες. Αλλά χάρη στο έργο του Tee και της ομάδας του στο Stanford, ο δρόμος για την επίτευξη αυτού του στόχου γίνεται όλο και πιο σαφής.

Διαβάστε ολόκληρη τη μελέτη στο Science : " Ένας οργανικός ψηφιακός μηχανικός υποδοχέας εμπνευσμένος από το δέρμα ".


Στείλτε μήνυμα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου στο george@gizmodo.com και τον ακολουθήστε στο @dvorsky . Κορυφαία εικόνα από την Bao Research Group, Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ

11 Comments

synthozoic
Menebrio
Keyan Reid
FM
Hotscot
Admiral Asskicker

Suggested posts

Other George Dvorsky's posts

Language