Et kunstigt nervesystem giver proteser og robotter en følesans

Forskere fra Stanford og Seoul National University har udviklet et kunstigt sensorisk nervesystem, der kan aktivere spjætrefleksen i en kakerlak og identificere bogstaver i blindeskriftalfabetet.

Arbejdet, rapporteret 31. maj in Videnskab , er et skridt mod at skabe kunstig hud til protetiske lemmer, at genoprette følelsen hos amputerede og, måske, en dag give robotter en form for refleksevne.

"Vi tager hud for givet, men det er en kompleks sansning, signal- og beslutningssystem, " sagde Zhenan Bao, en professor i kemiteknik og en af ​​seniorforfatterne. "Dette kunstige sensoriske nervesystem er et skridt hen imod at lave hudlignende sensoriske neurale netværk til alle mulige applikationer."

Byggesten

Denne milepæl er en del af Baos søgen efter at efterligne, hvordan huden kan strække sig, reparere sig selv og, mest bemærkelsesværdigt, fungere som et smart sensorisk netværk, der ikke kun ved, hvordan man overfører behagelige fornemmelser til hjernen, men også hvornår man skal beordre musklerne til at reagere refleksivt for at træffe hurtige beslutninger.

Det nye Science-papir beskriver, hvordan forskerne konstruerede et kunstigt sensorisk nervekredsløb, der kunne indlejres i en fremtidig hudlignende belægning til neuroproteser og blød robotik. Dette rudimentære kunstige nervekredsløb integrerer tre tidligere beskrevne komponenter.

Den første er en berøringssensor, der kan registrere selv små kræfter. Denne sensor sender signaler gennem den anden komponent - en fleksibel elektronisk neuron. Berøringssensoren og den elektroniske neuron er forbedrede versioner af opfindelser, der tidligere er rapporteret af Bao-laboratoriet.

Sensoriske signaler fra disse komponenter stimulerer den tredje komponent, en kunstig synaptisk transistor modelleret efter menneskelige synapser. Den synaptiske transistor er udtænkt af Tae-Woo Lee fra Seoul National University, som tilbragte sit sabbatår i Baos Stanford-laboratorium for at indlede det samarbejdende arbejde.

"Biologiske synapser kan videresende signaler, og også gemme information for at træffe enkle beslutninger, " sagde Lee, som var anden seniorforfatter på avisen. "Den synaptiske transistor udfører disse funktioner i det kunstige nervekredsløb."

Lee brugte en knærefleks som et eksempel på, hvordan mere avancerede kunstige nervekredsløb en dag kan være en del af en kunstig hud, der ville give proteser eller robotter både sanser og reflekser.

Hos mennesker, når et pludseligt slag får knæmusklerne til at strække sig, visse sensorer i disse muskler sender en impuls gennem en neuron. Neuronet sender igen en række signaler til de relevante synapser. Det synaptiske netværk genkender mønsteret af den pludselige strækning og udsender to signaler samtidigt, en der får knæmusklerne til at trække sig sammen refleksivt og en anden, mindre presserende signal til at registrere fornemmelsen i hjernen.

Få det til at fungere

Det nye værk har lang vej at gå, før det når det kompleksitetsniveau. Men i Science-avisen, gruppen beskriver, hvordan den elektroniske neuron leverede signaler til den synaptiske transistor, som blev konstrueret på en sådan måde, at den lærte at genkende og reagere på sensoriske input baseret på intensiteten og frekvensen af ​​laveffektsignaler, ligesom en biologisk synapse.

Gruppens medlemmer testede systemets evne til både at generere reflekser og føle berøring.

I en test koblede de deres kunstige nerve til et kakerlakben og lagde små trin af tryk på deres berøringssensor. Den elektroniske neuron konverterede sensorsignalet til digitale signaler og videresendte dem gennem den synaptiske transistor, får benet til at rykke mere eller mindre kraftigt, efterhånden som trykket på berøringssensoren øgedes eller faldt.

De viste også, at den kunstige nerve kunne registrere forskellige berøringsfornemmelser. I et eksperiment var den kunstige nerve i stand til at skelne punktskrift. I en anden, de rullede en cylinder hen over sensoren i forskellige retninger og detekterede nøjagtigt bevægelsesretningen.

Baos kandidatstuderende Yeongin Kim og Alex Chortos, plus Wentao Xu, en forsker fra Lees eget laboratorium, var også centrale for at integrere komponenterne i det funktionelle kunstige sensoriske nervesystem.

Forskerne siger, at kunstig nerveteknologi stadig er i sin vorden. For eksempel, at skabe kunstige hudbelægninger til proteseanordninger vil kræve nye anordninger til at registrere varme og andre fornemmelser, evnen til at integrere dem i fleksible kredsløb og derefter en måde at forbinde alt dette med hjernen.

Gruppen håber også at skabe laveffekt, kunstige sensornet til at dække robotter, ideen er at gøre dem mere smidige ved at give noget af den samme feedback, som mennesker får fra deres hud.