Vi er ett skritt nærmere for å skape kunstig hud med en følelse av berøring

George Dvorsky 12/05/2017. 11 comments
Futurism Assistive Devices Prosthetics Artificial Skin Biotechnology Biology Science Neuroscience

Kantproteser er fantastiske, men de mangler en veldig viktig funksjon: en følelse av berøring. Nå har et forskersteam fra Stanford University utviklet kunstig hud som kan fornemme kraft utøvet av objekter, og deretter overføre de sensoriske signalene til hjerneceller.

Utilstrekkelig sensorisk tilbakemelding er en alvorlig begrensning av nåværende proteser, enten de er kunstige hender, armer eller ben. Brukere må kunne fornemme hvordan en gjenstand reagerer på berøring for å få optimal motorstyring. Ellers er det vanskelig å vite hvor mye kraft som utøves på et objekt, eller fornemme ting som temperatur og tekstur. Dessuten, følelsen av berøring - eller til og med illusjonen av det - kan lindre smerte i fantom lemmer, noe som påvirker omtrent 80% av amputere.

Vi er fremdeles langt fra å være i stand til å skape kunstig hud som føles og reagerer på samme måte som naturlig hud gjør, men Stanford-teamet, ledet av elektroingeniør Benjamin Tee , har nylig utført et proof-of-concept-eksperiment som tar oss et betydelig skritt nærmere.

Strekkbar hud med fleksible kunstige mekanoreceptorer (Kreditt: Bao Research Group / Stanford University

Ved å bruke fleksible organiske kretser og en nyskapende ny trykksensor, utviklet Tees team en slags kunstig hud som kan fornemme kraften til statiske gjenstander. Dessuten ble disse sensoriske dataene overført til dyrket, dvs. in vitro , hjerneceller av mus ved bruk av optogenetisk teknologi. De har publisert resultatene av sitt arbeid i tidsskriftet Science .

Tiny Pyramids of Touch

Systemet, kalt DiTact (Digital Tactile System), er basert på en lav-effekt, fleksibel organisk transistorkrets som forvandler trykkfølelsen til samme type signaler som genereres naturlig av naturlige hudens mekanoreceptorer. Disse signalene ble på sin side omgjort til en serie spenningsimpulser.

DiTact-systemet (Kreditt: Tee et al., 2015 / Science)

For å få sensorene til å registrere det brede dynamiske trykkområdet, brukte forskerne karbonnanorør formet til pyramidale strukturer.

"Vår sensor var laget av små pyramider av gummi med karbon nanorør fordelt i den," bemerket studie medforfatter Alex Chortos i en epost til Gizmodo. "Denne strukturen var veldig nyttig fordi den tillot oss å forandre noen få ting, for eksempel avstanden mellom pyramidene, pyramidens størrelse og konsentrasjonen av karbonnanorør, for å få de ideelle trykkfølende egenskaper i riktig rekkevidde. ”

Disse mikrostrukturene tillot forskere å maksimere sensorens følsomhet på en måte som nærmer seg følsomheten av naturlige hudens kutane reseptorer.

Transferring Signals

På egen hånd gjør disse signalene ingenting. For at de skal oppleves som sensorisk tilbakemelding, må de overføres til en hjerne. Til dette formål tok forskerne disse signalene, som varierte mellom 0 og 200 hertz, og overførte dem via optiske fibre til de corticale nervene av mus. DiTact er fortsatt i en tidlig utviklingsfase, så forskerne overførte signaler til kultiverte celler in vitro , heller inn i hjernen til levende mus.

DiTact-systemet (Kreditt: Tee et al., 2015 / Science)

Denne teknikken, referert til som optogenetikk, kunne til slutt brukes på levende fag. Gjennom denne prosessen stimuleres nevroner til å brenne eller stoppe avfyring av genetisk-tekniske neuroner som reagerer på lys. En transgen fra alger gjør at nevroner brann når de blir utsatt for blått lys, og et bakterielt transgen får dem til å reagere på gult lys.

Men for dette forsøket måtte forskerne bruke en alternativ optogenetisk løsning for å ta hensyn til den hurtige hastigheten ved hvilken sensorisk informasjon behandles av nevroner.

"Biologiske mekanoreceptorer er i stand til å produsere signaler så fort som flere hundre elektriske pulser per sekund," sier Chortos. "Tidligere optogenetiske teknologier var bare i stand til å stimulere hjerneceller mye langsommere enn vi trenger å etterligne virkelige mekanoreceptorer."

Chortos peker på arbeidet til Andre Berndt og Karl Deisseroth som utviklet en ny type optogenetisk behandling som gjør at hjerneceller kan stimuleres veldig raskt slik at de er kompatible med hastigheten på ekte mekanoreceptorer.

Tees forskningsteam viser at de nye optogenetiske proteinene var i stand til å imøtekomme lengre stimuleringsintervaller, noe som er en sterk indikasjon på at systemet kan være kompatibelt med andre hurtigspikende nevroner, inkludert perifere nerver. Med andre ord, vil DiTact sannsynligvis fungere i levende mus, og muligens mennesker. Og faktisk fortalte forskerne Gizmodo at neste skritt i deres forskning vil være å bruke sensoren til å stimulere nerveen til levende mus.

From Science Fiction to Reality
From Science Fiction to Reality

Gitt at signalene ble overført til klumper av celler i en petriskål og ikke et levende dyr, hvordan kunne de være sikre på at deres signaler var av riktig natur og intensitet?

"Vi kunne validere at vår sensor formidler den riktige informasjonen til [et levende] dyr ved å bruke adferdsmessige tegn, dvs. hvordan dyret oppfører seg som svar på press," sa Chortos. "Den ultimate testen vil være å feste sensoren til et menneske og spørre dem hva de føler. For å få virkelig naturlig berøring sensing, må vi kanskje modifisere og tilpasse vårt design. "

Faktisk er det endelige målet å bøye menneskelig proteser med berøringsfølsom kunstig hud.

"Vi ser på at våre kunstige mekanoreceptorer har størst innvirkning gjennom integrasjon for sensorisk tilbakemelding med protesystemer i utvikling av andre grupper," bemerket medforfatter Amanda Nguyen. "Som vår sensor vil bli montert ved siden av kunstige lemmer, er de primære sikkerhetsproblemene sentrert rundt nervestimuleringsmønstre og grensesnitt."

Nguyen sier at tidlig arbeid med sensorisk tilbakemelding med nevroprosthetikk hos mennesker har vært lovende, men det er behov for større og mer involverte menneskelige studier for å forstå hvordan man effektivt og sikkert stimulerer nerver til å gi sensorisk tilbakemelding.

"Som en større forståelse av stimuleringsparametere er oppnådd, vil utgangen av vår kunstige mekanoreceptor bli innstilt for å følge disse stimuleringsparadigmene," sa hun. "Med påvist effektivitet og sikkerhet, kan potensialet for å forbedre livskvaliteten for personer med taktil svekkelse balanseres med de etiske problemene som oppstår av nevroprostetikk. Tilgang til denne typen teknologi hos mennesker vil vokse ettersom både vår forståelse av nevrovitenskap vokser og protetisk teknologi utvikler seg for å gi nyanserte sensoriske oppfatninger. "

Faktisk vil denne avenyen for forskning bli tryggere og mindre etisk tvilsom over tid. For at optogenetikken skal fungere skikkelig og sikkert hos mennesker, må forskere finne ut hvordan man får optogenetikk til å arbeide uten å benytte seg av invasive fiberoptiske ledninger og viral levering av transgene til pasienter.

Ifølge Polina Anikeeva, professor i materialvitenskap og teknologi ved MIT, kan det snart bli mulig å bruke stamceller fra pasienten og gjøre følsomheten til en bestemt bølgelengde av lys gjennom genetisk manipulering utenfor kroppen. Hun fortalte Gizmodo at disse cellene deretter kan potensielt gjeninnføres i pasientens perifere nerve, slik at sistnevnte blir optisk stimulert. Ingen ledninger, ingen etisk tvilsomme transgener. Anikeeva sier det kan også være mulig å bruke nevral stimulering for å forbedre nervernes evne til å regenerere seg selv eller til og med danne intime grensesnitt med syntetiske sensorer.

Tilstrekkelig å si, vi vil ikke se disse slags teknologier i mange år, om ikke tiår. Men takket være Tees og hans lag i Stanford, blir banen til å nå dette målet stadig tydeligere.

Les hele studien på Science : " En hudinspirert organisk digital mekanoreceptor ".


Send e-post forfatteren på george@gizmodo.com og følg ham på @dvorsky . Toppbilde av Bao Research Group, Stanford University

HighResolutionMusic.com - Download Hi-Res Songs

1 Alan Walker

Diamond Heart flac

Alan Walker. 2018. Writer: Alan Walker;Sophia Somajo;Mood Melodies;James Njie;Thomas Troelsen;Kristoffer Haugan;Edvard Normann;Anders Froen;Gunnar Greve;Yann Bargain;Victor Verpillat;Fredrik Borch Olsen.
2 Sia

I'm Still Here flac

Sia. 2018. Writer: Sia.
3 Blinders

Breach (Walk Alone) flac

Blinders. 2018. Writer: Dewain Whitmore;Ilsey Juber;Blinders;Martin Garrix.
4 Halsey

Without Me flac

Halsey. 2018. Writer: Halsey;Delacey;Louis Bell;Amy Allen;Justin Timberlake;Timbaland;Scott Storch.
5 Cardi B

Taki Taki flac

Cardi B. 2018. Writer: Bava;Juan Vasquez;Vicente Saavedra;Jordan Thorpe;DJ Snake;Ozuna;Cardi B;Selena Gomez.
6 Bradley Cooper

Shallow flac

Bradley Cooper. 2018. Writer: Andrew Wyatt;Anthony Rossomando;Mark Ronson;Lady Gaga.
7 Martin Garrix

Yottabyte flac

Martin Garrix. 2018. Writer: Martin Garrix.
8 Little Mix

Woman Like Me flac

Little Mix. 2018. Writer: Nicki Minaj;Steve Mac;Ed Sheeran;Jess Glynne.
9 Lady Gaga

I'll Never Love Again flac

Lady Gaga. 2018. Writer: Benjamin Rice;Lady Gaga.
10 Kelsea Ballerini

This Feeling flac

Kelsea Ballerini. 2018. Writer: Andrew Taggart;Alex Pall;Emily Warren.
11 Mako

Rise flac

Mako. 2018. Writer: Riot Music Team;Mako;Justin Tranter.
12 Bradley Cooper

Always Remember Us This Way flac

Bradley Cooper. 2018. Writer: Lady Gaga;Dave Cobb.
13 Dewain Whitmore

Burn Out flac

Dewain Whitmore. 2018. Writer: Dewain Whitmore;Ilsey Juber;Emilio Behr;Martijn Garritsen.
14 Charli XCX

1999 flac

Charli XCX. 2018. Writer: Charli XCX;Troye Sivan;Leland;Oscar Holter;Noonie Bao.
15 Deep Chills

Run Free flac

Deep Chills. 2018.
16 Rita Ora

Let You Love Me flac

Rita Ora. 2018. Writer: Rita Ora.
17 Avril Lavigne

Head Above Water flac

Avril Lavigne. 2018. Writer: Stephan Moccio;Travis Clark;Avril Lavigne.
18 Khalid

Better flac

Khalid. 2018. Writer: Charlie Handsome;Jamil Chammas;Denis Kosiak;Tor Erik Hermansen;Mikkel Stoleer Eriksen;Khalid.
19 Diplo

Electricity flac

Diplo. 2018. Writer: Diplo;Mark Ronson;Picard Brothers;Wynter Gordon;Romy Madley Croft;Florence Welch.
20 Julia Michaels

There's No Way flac

Julia Michaels. 2018. Writer: Ian Kirkpatrick;Justin Tranter;Julia Michaels;Lauv.

11 Comments

synthozoic
Menebrio
Keyan Reid
FM
Hotscot
Admiral Asskicker

Suggested posts

Other George Dvorsky's posts

Language