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Sistema nervoso sensoriale artificiale: un vantaggio per le protesi

INGEGNERIA E TECNOLOGIASistema nervoso sensoriale artificiale: un vantaggio per le protesi

I ricercatori hanno sviluppato un sistema nervoso sensoriale artificiale in grado di elaborare informazioni simili al corpo umano e potrebbe dare efficacemente il senso del tatto agli arti protesici

La nostra pelle, l'organo più grande del corpo, è anche il più importante in quanto copre tutto il nostro corpo, controlla la temperatura corporea e ci protegge da fattori esterni dannosi come sole, temperature anormali, germi ecc. La nostra pelle può allungarsi notevolmente e può ripararsi. La pelle è importante anche perché ci fornisce il senso del tatto attraverso il quale siamo in grado di prendere decisioni. La pelle è per noi un complesso sistema di rilevamento e segnalazione.

In uno studio pubblicato Scienza, i ricercatori guidati dal professor Zhenan Bao della Stanford University e della Seoul National University hanno sviluppato un artificiale sistema nervoso sensoriale che potrebbe essere un grande passo avanti verso la creazione di una "pelle artificiale" per protesi arti che potrebbero restituire la sensazione e agire come una normale copertura della pelle. L'aspetto impegnativo di questo studio era come imitare efficacemente la nostra pelle che possiede diverse proprietà uniche. La caratteristica più difficile da imitare è il modo in cui la nostra pelle si comporta come una smart sensoriale rete che trasmette innanzitutto sensazioni al cervello e ordina anche ai nostri muscoli di reagire attraverso un riflesso per prendere decisioni tempestive. Ad esempio, un colpetto fa allungare i muscoli del gomito e i sensori in questi muscoli inviano impulsi al cervello attraverso un neurone. Il neurone invia quindi una serie di segnali alle sinapsi rilevanti. La rete sinaptica nel nostro corpo riconosce lo schema di stiramento improvviso nei muscoli e invia due segnali contemporaneamente. Un segnale fa contrarre i muscoli del gomito come riflesso e il secondo segnale va al cervello per informare su questa sensazione. L'intera sequenza di eventi avviene in quasi una frazione di secondo. L'imitazione di questo complicato sistema nervoso sensoriale biologico, inclusi tutti gli elementi funzionali nella rete di neuroni, rimane ancora una sfida.

Sistema nervoso sensoriale unico che "imita" il reale

I ricercatori hanno creato un sistema sensoriale unico che potrebbe replicare il funzionamento del sistema nervoso umano. Il “circuito del nervo artificiale” progettato dai ricercatori integra tre componenti in un foglio piatto e flessibile di pochi centimetri. Questi componenti sono stati descritti singolarmente in precedenza. Il primo componente è un tocco sensore in grado di rilevare forze e pressioni (anche mini). Questo sensore (costituito da polimeri organici, nanotubi di carbonio ed elettrodi d'oro) invia segnali attraverso un secondo componente, un neurone elettronico flessibile. Entrambi questi componenti sono versioni migliorate e migliorate di ciò che è stato sviluppato in precedenza dagli stessi ricercatori. I segnali sensoriali generati e passati attraverso questi due componenti vengono consegnati a un terzo componente, un transistor sinaptico artificiale che è modellato esattamente come le sinapsi umane nel cervello. Tutti e tre questi componenti devono lavorare in modo coeso e dimostrare la funzione finale è stato l'aspetto più impegnativo. Le vere sinapsi biologiche trasmettono i segnali e immagazzinano le informazioni necessarie per prendere decisioni. Questo transistor sinaptico "svolge" queste funzioni fornendo segnali elettronici al transistor sinaptico utilizzando il circuito del nervo artificiale. Pertanto, questo sistema artificiale impara a riconoscere e reagire agli input sensoriali in base all'intensità e alla frequenza dei segnali a bassa potenza, proprio come farebbe una sinapsi biologica in un corpo vivente. La novità di questo studio è il modo in cui questi tre singoli componenti noti in precedenza sono stati integrati con successo per la prima volta per fornire un sistema coeso.

I ricercatori hanno testato la capacità di questo sistema di generare riflessi e anche di percepire il tatto. In un esperimento hanno attaccato il loro nervo artificiale a una zampa di scarafaggio e hanno applicato una leggera pressione al loro sensore tattile. Il neurone elettronico ha convertito il segnale del sensore in segnali digitali e li ha fatti passare attraverso il transistor sinaptico. Ciò ha causato la contrazione della gamba dello scarafaggio in base all'aumento o alla diminuzione della pressione nel sensore tattile. Quindi, questa configurazione artificiale ha sicuramente attivato il riflesso della contrazione. In un secondo esperimento, i ricercatori hanno mostrato la capacità del nervo artificiale di rilevare diverse sensazioni tattili essendo in grado di differenziare le lettere Braille. In un altro test hanno fatto rotolare un cilindro sul sensore in direzioni diverse e sono stati in grado di rilevare con precisione la direzione esatta del movimento. Pertanto, questo dispositivo è in grado di migliorare il riconoscimento degli oggetti e l'elaborazione fine delle informazioni tattili come il riconoscimento delle trame, la lettura braille e la distinzione dei bordi degli oggetti.

Futuro del sistema nervoso sensoriale artificiale

Questa tecnologia del nervo artificiale è in una fase molto iniziale e non ha raggiunto il livello di complessità richiesto, ma ha dato un'immensa speranza per la creazione di rivestimenti di pelle artificiale. È chiaro che tali "rivestimenti" richiederebbero anche dispositivi per rilevare calore, vibrazioni, pressione e altre forze e sensazioni. Devono avere una buona capacità di inserirsi in circuiti flessibili in modo da potersi interfacciare efficacemente con il cervello. Per imitare la nostra pelle, il dispositivo deve avere più integrazione e funzionalità che lo renderanno più stabile e affidabile.

Questa tecnologia del nervo artificiale potrebbe essere un vantaggio per le protesi e ripristinare le sensazioni negli amputati. I dispositivi protesici sono migliorati molto nel corso dell'anno con più tecnologia di stampa 3D disponibile e sistemi robotici più reattivi. Nonostante questi aggiornamenti, la maggior parte dei dispositivi protesici oggi disponibili devono essere controllati in modo molto approssimativo in quanto non forniscono un'interfaccia soddisfacente con il cervello a causa della mancanza di incorporazione delle complessità del vasto sistema nervoso umano. Il dispositivo non dà feedback e quindi il paziente si sente molto insoddisfatto e prima o poi li scarta. Una tale tecnologia del nervo artificiale, una volta incorporata con successo nelle protesi, fornirà informazioni tattili per gli utenti e aiuterà a fornire ai pazienti un'esperienza migliore. Questo dispositivo è un grande passo avanti verso la creazione di reti neurali sensoriali simili alla pelle per varie applicazioni garantendo poteri di riflesso e senso del tatto.

***

{Puoi leggere il documento di ricerca originale facendo clic sul collegamento DOI indicato di seguito nell'elenco delle fonti citate}

Fonte (s)

Yeongin K et al. 2018. Un nervo afferente artificiale organico flessibile bioispirato. Scienzahttps://doi.org/10.1126/science.aao0098

Squadra SCIEU
Squadra SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Scientific European® | SCIEU.com | Progressi significativi della scienza. Impatto sull'umanità. Menti ispiratrici.

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