Chúng tôi là một bước gần hơn để tạo ra da nhân tạo với một cảm giác liên lạc

George Dvorsky vừa mới đây. 11 comments
Futurism Assistive Devices Prosthetics Artificial Skin Biotechnology Biology Science Neuroscience

Cắt chân giả cắt cạnh là tuyệt vời, nhưng họ thiếu một tính năng rất quan trọng: một cảm giác liên lạc. Bây giờ một nhóm nghiên cứu từ Đại học Stanford đã phát triển làn da nhân tạo có thể cảm nhận được lực tác động bởi các vật thể - và sau đó truyền tín hiệu cảm giác đó đến các tế bào não.

Phản hồi cảm giác không đầy đủ là một giới hạn nghiêm trọng của chân tay giả hiện tại, cho dù chúng là bàn tay, cánh tay hoặc chân nhân tạo. Người dùng cần có khả năng cảm nhận cách đối tượng phản ứng với cảm ứng của họ để có điều khiển động cơ tối ưu. Nếu không, rất khó để biết có bao nhiêu lực được tác dụng lên một vật thể, hoặc cảm nhận những thứ như nhiệt độ và kết cấu. Hơn nữa, cảm giác liên lạc - hoặc thậm chí là ảo tưởng về nó - có thể làm giảm bớt đau chân tay, ảnh hưởng đến khoảng 80% số người tàn tật.

Chúng tôi vẫn còn cách xa để có thể tạo ra làn da nhân tạo cảm nhận và phản ứng giống như làn da tự nhiên, nhưng nhóm nghiên cứu Stanford, do kỹ sư điện Benjamin Tee , gần đây đã thực hiện một thí nghiệm mang tính khái niệm chúng tôi một bước đáng kể gần hơn.

Da căng thẳng với bộ phận cơ khí nhân tạo linh hoạt (Credit: Bao Research Group / Stanford University

Bằng cách sử dụng các mạch hữu cơ linh hoạt và một bộ cảm biến áp lực mới, nhóm nghiên cứu của Tee đã phát triển một loại da nhân tạo có thể cảm nhận được lực của vật thể tĩnh. Hơn nữa, dữ liệu cảm giác này sau đó được truyền đến nuôi cấy, tức là in vitro , tế bào não của chuột sử dụng công nghệ quang sinh học. Họ đã công bố kết quả công việc của họ trên tạp chí Science .

Tiny Pyramids of Touch

Hệ thống này, được gọi là DiTact (Hệ thống xúc giác kỹ thuật số), được dựa trên một mạch điện bán dẫn hữu cơ, linh hoạt thấp, giúp biến đổi cảm giác áp lực thành cùng một loại tín hiệu được tạo ra tự nhiên bởi các cơ chế của da tự nhiên. Những tín hiệu này lần lượt được chuyển thành một loạt xung điện áp.

Hệ thống DiTact (Tín dụng: Tee và cộng sự, 2015 / Khoa học)

Để các cảm biến ghi lại phạm vi áp lực động rộng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các ống nano cacbon được đúc thành các cấu trúc hình chóp.

“Cảm biến của chúng tôi được tạo thành từ các kim tự tháp cao su nhỏ với các ống nano cacbon phân bố trong nó,” đồng tác giả nghiên cứu Alex Chortos lưu ý trong một email gửi tới Gizmodo. “Cấu trúc này rất hữu ích vì nó cho phép chúng ta dễ dàng thay đổi một vài thứ, như khoảng cách giữa các kim tự tháp, kích thước của các kim tự tháp, và nồng độ ống nano cacbon để có được các đặc tính cảm biến áp suất lý tưởng trong phạm vi bên phải. ”

Những vi cấu trúc này cho phép các nhà nghiên cứu tối đa hóa độ nhạy của các cảm biến theo cách gần đúng với độ nhạy của các thụ thể da tự nhiên của da.

Transferring Signals

Ngày của riêng mình, những tín hiệu này không làm gì cả. Để cho chúng được trải nghiệm như phản hồi giác quan, chúng phải được truyền đến não. Để kết thúc, các nhà nghiên cứu lấy các tín hiệu này, dao động từ 0 đến 200 hertz, và truyền chúng qua sợi quang đến các tế bào thần kinh vỏ não của chuột. DiTact vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu, do đó các nhà nghiên cứu đã truyền các tín hiệu đến các tế bào nuôi cấy in vitro , thay vì vào não của chuột sống.

Hệ thống DiTact (Tín dụng: Tee và cộng sự, 2015 / Khoa học)

Kỹ thuật này, được gọi là optogenetics, cuối cùng có thể được sử dụng trên các đối tượng sống. Thông qua quá trình này, các tế bào thần kinh được kích thích để bắn hoặc ngừng bắn bởi các tế bào thần kinh biến đổi gen phản ứng với ánh sáng. Sự chuyển gen từ tảo làm cho các tế bào thần kinh cháy khi chúng tiếp xúc với ánh sáng xanh, và một chất chuyển gen do vi khuẩn làm cho chúng phản ứng với ánh sáng màu vàng.

Nhưng đối với thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu đã phải sử dụng một giải pháp quang sinh thay thế để tính toán tốc độ nhanh chóng mà thông tin cảm giác được xử lý bởi các tế bào thần kinh.

Chortos nói: “Các nhà máy cơ khí sinh học có thể tạo ra tín hiệu nhanh tới vài trăm xung điện mỗi giây. “Các công nghệ quang sinh trước đây chỉ có khả năng kích thích các tế bào não chậm hơn nhiều so với chúng ta cần bắt chước các bộ máy cơ khí thực sự.”

Chortos chỉ ra công trình của Andre Berndt và Karl Deisseroth, người đã phát triển một loại phương pháp điều trị quang sinh mới cho phép các tế bào não được kích thích rất nhanh để chúng tương thích với tốc độ của các cơ chế thực sự.

Nhóm nghiên cứu của Tee cho thấy rằng các protein quang sinh mới có thể đáp ứng các khoảng thời gian kích thích dài hơn, đó là một dấu hiệu mạnh mẽ cho thấy hệ thống có thể tương thích với các nơron thần kinh nhanh khác, bao gồm cả các dây thần kinh ngoại vi. Nói cách khác, DiTact có thể sẽ hoạt động trên chuột sống và có thể là con người. Và quả thực, các nhà nghiên cứu nói với Gizmodo rằng bước tiếp theo trong nghiên cứu của họ sẽ là sử dụng cảm biến của họ để kích thích dây thần kinh của chuột sống.

From Science Fiction to Reality
From Science Fiction to Reality

Cho rằng các tín hiệu được truyền đến các cụm tế bào trong đĩa petri và không phải là động vật sống, làm thế nào chúng có thể chắc chắn tín hiệu của chúng có bản chất và cường độ đúng không?

Chortos cho biết: “Chúng tôi có thể xác nhận rằng cảm biến của chúng tôi đang truyền đạt thông tin chính xác tới động vật [sống] bằng cách sử dụng các dấu hiệu hành vi, tức là động vật ứng phó với áp lực như thế nào”. “Bài kiểm tra cuối cùng sẽ là gắn bộ cảm biến vào một người và hỏi họ những gì họ cảm thấy. Để có được cảm ứng thực sự tự nhiên, chúng tôi có thể cần sửa đổi và chỉnh sửa thiết kế của mình. ”

Thật vậy, mục tiêu cuối cùng là để thấm nhuần bộ phận giả của con người với làn da nhân tạo nhạy cảm.

"Chúng tôi hình dung các cơ quan nhân tạo cơ khí nhân tạo của chúng tôi có tác động lớn nhất thông qua hội nhập cho phản hồi cảm giác với các hệ thống giả trong phát triển bởi các nhóm khác", đồng tác giả Amanda Nguyễn lưu ý. “Vì cảm biến của chúng tôi sẽ được gắn bên cạnh hệ thống chi giả tạo, mối quan tâm về an toàn chính được tập trung xung quanh các mô hình kích thích thần kinh và giao diện.”

Nguyễn nói rằng công việc đầu tiên liên quan đến phản hồi cảm giác với neuroprosthetics ở người đã được hứa hẹn, nhưng có một nhu cầu cho các nghiên cứu lớn hơn và nhiều hơn nữa liên quan đến con người để hiểu làm thế nào để có hiệu quả và an toàn kích thích dây thần kinh để cung cấp thông tin phản hồi cảm giác.

"Khi hiểu rõ hơn về các thông số kích thích thu được, đầu ra của bộ máy cơ khí nhân tạo của chúng tôi sẽ được điều chỉnh theo các mô hình kích thích này", cô nói. “Với hiệu quả và an toàn đã chứng minh, tiềm năng cải thiện chất lượng cuộc sống cho những người bị suy giảm xúc giác có thể được cân bằng với các mối quan tâm đạo đức được đưa ra bởi neuroprosthetics. Khả năng tiếp cận của loại công nghệ này ở người sẽ tăng theo cả hiểu biết của chúng ta về khoa học thần kinh phát triển và tiến bộ công nghệ giả để cung cấp nhận thức giác quan sắc thái. ”

Thật vậy, con đường nghiên cứu này sẽ trở nên an toàn hơn và ít bị nghi ngờ về mặt đạo đức hơn theo thời gian. Để các nhà quang học hoạt động đúng và an toàn ở người, ví dụ, các nhà nghiên cứu sẽ phải tìm ra cách để làm cho các chất quang học hoạt động mà không cần phải dùng dây cáp quang xâm lấn và sự chuyển giao virus của các gen chuyển sang bệnh nhân.

Theo Polina Anikeeva, giáo sư Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật tại MIT, nó có thể sớm có thể sử dụng tế bào gốc từ bệnh nhân và cho phép nhạy cảm với một bước sóng ánh sáng cụ thể thông qua thao tác di truyền bên ngoài cơ thể. Cô nói với Gizmodo rằng những tế bào này sau đó có khả năng được giới thiệu lại vào dây thần kinh ngoại vi của bệnh nhân, cho phép nó được kích thích quang học. Không có dây, không có gen chuyển gen đáng ngờ về mặt đạo đức. Anikeeva nói rằng nó cũng có thể sử dụng kích thích thần kinh để tăng cường khả năng của dây thần kinh tự tái sinh hoặc thậm chí tạo thành các giao diện thân mật với các cảm biến tổng hợp.

Đủ để nói, chúng ta sẽ không thấy những loại công nghệ này trong nhiều năm, nếu không phải hàng thập kỷ. Nhưng nhờ vào công việc của Tee và nhóm của ông tại Stanford, con đường để đạt được mục tiêu này ngày càng rõ ràng hơn.

Đọc toàn bộ nghiên cứu tại Science : “ Một kỹ sư viên kỹ thuật số hữu cơ lấy cảm hứng từ da ”.


Gửi email cho tác giả tại george@gizmodo.com và theo dõi anh ấy tại @dvorsky . Hình ảnh hàng đầu của Bao Research Group, Đại học Stanford

11 Comments

synthozoic
Menebrio
Keyan Reid
FM
Hotscot
Admiral Asskicker

Suggested posts

Other George Dvorsky's posts

Language