Ми на один крок ближче до створення штучної шкіри з почуттям дотику

George Dvorsky just a moment. 11 comments
Futurism Assistive Devices Prosthetics Artificial Skin Biotechnology Biology Science Neuroscience

Різке протезування є дивовижним, але вони не мають однієї дуже важливої ​​риси: відчуття дотику. Сьогодні дослідницька група зі Стенфордського університету розробила штучну шкіру, яка може відчувати сили, що впливає на об'єкти, а потім передавати ці сенсорні сигнали клітинам мозку.

Недостатній сенсорний зворотний зв'язок - це серйозне обмеження поточних протезів кінцівок, будь то штучні руки, руки або ноги. Користувачам потрібно вміти відчувати, як об'єкт реагує на їх дотик для оптимального керування двигуном. В іншому випадку важко дізнатись, як сила впливає на об'єкт, або відчуває такі речі, як температура та текстура. Більше того, відчуття дотику або навіть ілюзія до нього - може полегшити біль у фантомних кінцівках, яке вражає близько 80% ампут.

Ми все ще далеко від можливості створювати штучну шкіру, яка відчуває себе і реагує так само, як і природна шкіра, але команда Стенфорда, яку очолює інженер-електрик Бенджамін Те , нещодавно провела експеримент із концепцією концепції, який приймає нам значний крок ближче.

Розтягувана шкіра з гнучкими штучними механіорецепторами (Credit: Bao Research Group / Stanford University

Використовуючи гнучкі органічні ланцюги та інноваційний новий датчик тиску, команда Tee розробила своєрідну штучну шкіру, здатну відчути силу статичних об'єктів. Більш того, ці сенсорні дані потім передавали до культивованих, тобто in vitro , клітин головного мозку мишей, використовуючи оптогенетичну технологію. Вони опублікували результати своєї роботи в журналі Science .

Tiny Pyramids of Touch

Система, що називається DiTact (Digital Tactile System), заснована на малопотужній, гнучкій органічній транзисторній схемі, яка перетворює відчуття тиску в ті ж самі сигнали, які природно генеруються механічними рецепторами натуральної шкіри. Ці сигнали у свою чергу перетворювалися на серію імпульсів напруги.

Система DiTact (кредит: Tee et al., 2015 / Science)

Щоб дати сенсори для запису широкого динамічного діапазону тиску, дослідники використовували вуглецеві нанотрубки, виготовлені в пірамідальні структури.

"Наш датчик був зроблений з крихітних пірамід з гуми з вуглецевими нанотрубками, що розповсюджуються в ньому", - зазначив співавтор дослідження Alex Chortos в електронному листі до Gizmodo. "Ця структура була дуже корисною, тому що це дозволило нам легко змінити кілька речей, таких як відстань між пірамідками, розмір пірамід і концентрація вуглецевих нанотрубок, щоб отримати ідеальні характеристики чутливості до тиску в потрібному діапазоні. "

Ці мікроструктури дозволили дослідникам максимально збільшити чутливість датчиків таким чином, що тісно наближає чутливість шкірних рецепторів натуральної шкіри.

Transferring Signals

Самі по собі ці сигнали нічого не роблять. Щоб їх було відчути як сенсорний зворотний зв'язок, вони повинні бути передані в мозок. З цією метою дослідники взяли ці сигнали, коливаючись від 0 до 200 герц, і передавали їх через оптичні волокна до кортикальних нейронів мишей. DiTact все ще знаходиться на ранній стадії розробки, тому дослідники передавали сигнали культивованих клітин in vitro , а не в мозок живих мишей.

Система DiTact (кредит: Tee et al., 2015 / Science)

Ця методика, що називається оптогенетикою, в кінцевому підсумку може бути використана для живих предметів. Через цей процес нейрони можуть стимулюватися пожежами або припинення стрільби генетичними інженерними нейронами, які реагують на світло. Трангени з водоростей змушують нейрони пожежа, коли вони піддаються синьому світлу, і бактеріальний трансген змушує їх реагувати на жовте світло.

Але для цього експерименту дослідникам доводилося використовувати альтернативний оптико-гігієнічний розв'язок, щоб визначити швидкість, по якій сенсорна інформація обробляється нейронами.

"Біологічні механікорецептори здатні виробляти сигнали так само швидко, як кілька сотень електричних імпульсів на секунду", - говорить Чортос. "Попередні оптогенетичні технології здатні стимулювати клітини мозку значно повільніше, ніж нам потрібно імітувати справжні механікорецептори".

Чортос вказує на роботу Андре Берндта та Карла Дейсерота, який розробив новий тип оптометричного лікування, який дозволяє дуже швидко стимулювати клітини мозку, щоб вони були сумісні з швидкістю реальних механікорецепторів.

Група досліджень Tee показує, що нові оптометнічні білки здатні розміщувати більш тривалі інтервали стимуляції, що є сильним свідченням того, що система може бути сумісною з іншими швидкодіючими нейронами, включаючи периферичні нерви. Іншими словами, DiTact, швидше за все, буде працювати в живих мишах і, можливо, у людей. І справді, дослідники повідомили Gizmodo, що наступним кроком у своїх дослідженнях буде використання їх сенсора для стимуляції нерва живих мишей.

From Science Fiction to Reality
From Science Fiction to Reality

З огляду на те, що сигнали передавалися на кучки клітин у чашці Петрі, а не на живу тварину, як вони могли переконатися, що їхні сигнали мають правильну природу та інтенсивність?

"Ми можемо підтвердити, що наш датчик передає правильну інформацію [живої] тварині, використовуючи поведінкові сигнали, тобто, як тварина поводиться у відповідь на тиск", сказав Chortos. "Остаточним випробуванням буде приєднати датчик до людини і попросити їх, що вони відчувають. Щоб отримати дійсно природний сенсорний зв'язок, нам може знадобитися модифікувати та налаштовувати наш дизайн ".

Дійсно, кінцевою метою є наповнення людської протезування шкірою з чутливою шкірою.

"Ми передбачаємо наші штучні механінорецептори, які роблять найбільший вплив через інтеграцію для сенсорного зворотного зв'язку з протезними системами в розробці іншими групами", - зазначив співавтор Аманда Нгуєн. "Оскільки наш датчик буде встановлений поряд з системами штучних кінцівок, основні проблеми безпеки зосереджені навколо нервових схем стимуляції та інтерфейсу".

Нгуєн зазначає, що рання робота, пов'язана з сенсорним зворотним зв'язком з нейропротезуванням у людей, була перспективною, але існує потреба в більш широких та більш зацікавлених дослідженнях людей, щоб зрозуміти, як ефективно та безпечно стимулювати нерви, щоб надавати чуттєві відгуки.

"Отримавши краще розуміння параметрів стимуляції, вихід нашого штучного механіорецептора буде налаштовуватися, щоб слідувати цим парадигмам стимуляції", - сказала вона. "Завдяки продемонстрованій ефективності та безпеці потенціал для покращення якості життя людей з тактильними порушеннями може бути збалансованим з етичними проблемами, викликаними нейропротезуванням. Доступність такого типу технологій для людей зросте, як зростає наше розуміння нейронауки та прогресує протезування технологій, щоб забезпечити нюансові чуттєві сприйняття ".

Дійсно, цей напрямок досліджень стане більш безпечним і менш етично сумнівним з плином часу. Наприклад, для того, щоб оптитогенетика працювала належним чином і безпечно в людей, наприклад, дослідники повинні з'ясувати спосіб отримати оптогенетику для роботи, не вдаючись до інвазивних волоконно-оптичних проводів та вірусної передачі трансгенів пацієнтам.

За словами Поліни Анікеєвої, професора з матеріалознавства та інженерії в MIT, незабаром стає можливим використовувати пацієнти зі стовбурових клітин і дозволить їх чутливість до певної довжини світла через генетичні маніпуляції за межами тіла. Вона повідомила Gizmodo, що ці клітини можуть бути потенційно повторно введені в периферичний нерв пацієнта, що дозволить оптично стимулювати його. Немає проводів, немає етично сумнівних трансгенів. Анікеева вважає, що можливо також можна використовувати нервову стимуляцію, щоб посилити здатність нерва самовідновлюватися або навіть формувати інтимні інтерфейси з синтетичними датчиками.

Достатньо сказати, що ми не побачимо ці технології на цілий рік, якщо не десятиліття. Але завдяки роботі Те та його команди в Стенфорді, шлях до досягнення цієї мети стає все більш зрозумілим.

Прочитайте ціле дослідження в Science : " Органічний цифровий механікорецептор, що надихає шкіру ".


Надішліть електронний лист автору за адресою george@gizmodo.com та йдіть за ним за адресою @dvorsky . Найкраще зображення Bao Research Group, Стенфордський університет

11 Comments

synthozoic
Menebrio
Keyan Reid
FM
Hotscot
Admiral Asskicker

Suggested posts

Other George Dvorsky's posts

Language