Мы на шаг ближе к созданию искусственной кожи с чувством прикосновения

George Dvorsky 02/16/2018. 11 comments
Futurism Assistive Devices Prosthetics Artificial Skin Biotechnology Biology Science Neuroscience

Современные протезы удивительны, но им не хватает одной очень важной функции: ощущения осязания. Теперь исследовательская группа из Стэнфордского университета разработала искусственную кожу, которая может ощущать силу, оказываемую объектами, а затем передавать эти сенсорные сигналы клеткам мозга.

Неадекватная сенсорная обратная связь является серьезным ограничением существующих протезных конечностей, будь то искусственные руки, руки или ноги. Пользователи должны уметь определять, как объект реагирует на их прикосновение, чтобы иметь оптимальное управление двигателем. В противном случае трудно понять, какая сила воздействует на объект, или ощущать такие вещи, как температура и текстура. Более того, чувство осязания или даже иллюзия этого - может облегчить боль при фантомной конечности, которая затрагивает около 80% пациентов с ампутацией.

Мы все еще далеки от возможности создавать искусственную кожу, которая чувствует и реагирует так же, как естественная кожа, но команда Стэнфорда, возглавляемая инженером-электриком Бенджамином Ти , недавно провела эксперимент с доказательством концепции, который принимает мы значительно приблизились.

Натяжная кожа с гибкими искусственными механорецепторами (кредит: Исследовательская группа Бао / Стэнфордский университет

Используя гибкие органические цепи и инновационный новый датчик давления, команда Tee разработала своего рода искусственную кожу, которая может ощущать силу статических объектов. Более того, эти сенсорные данные затем передавались культивированным, т.е. in vitro , клеткам мозга мышей с использованием оптико-электронной технологии. Они опубликовали результаты своей работы в журнале Science .

Tiny Pyramids of Touch

Система, называемая DiTact (Digital Tactile System), основана на маломощной гибкой органической транзисторной схеме, которая преобразует чувство давления в сигналы такого же типа, которые генерируются естественным образом механорецепторами естественной кожи. Эти сигналы, в свою очередь, были преобразованы в ряд импульсов напряжения.

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

Чтобы заставить датчики регистрировать широкий динамический диапазон давления, исследователи использовали углеродные нанотрубки, формованные в пирамидальные структуры.

«Наш датчик был сделан из крошечных пирамид из резины с распределенными в нем углеродными нанотрубками», - отметил соавтор исследования Алекс Чортос в письме к Gizmodo. «Эта структура была очень полезна, поскольку она позволила нам легко изменить несколько вещей, таких как расстояние между пирамидами, размер пирамид и концентрация углеродных нанотрубок, чтобы получить идеальные характеристики измерения давления в правильном диапазоне. »

Эти микроструктуры позволили исследователям максимально повысить чувствительность датчиков таким образом, чтобы они приближались к чувствительности кожных рецепторов естественной кожи.

Transferring Signals

Само по себе эти сигналы ничего не делают. Для того, чтобы их воспринимали как сенсорную обратную связь, они должны передаваться в мозг. С этой целью исследователи принимали эти сигналы, которые находились в диапазоне от 0 до 200 герц, и передавали их через оптические волокна в кортикальные нейроны мышей. DiTact все еще находится на ранней стадии развития, поэтому исследователи передавали сигналы культивируемым клеткам in vitro , а не в мозг живых мышей.

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

Этот метод, называемый оптогенетикой, может в конечном итоге использоваться для живых испытуемых. Благодаря этому процессу нейроны стимулируют огонь или прекращают обжиг генно-инженерными нейронами, которые реагируют на свет. Трансген из водорослей заставляет нейроны стрелять, когда они подвергаются воздействию синего света, и бактериальный трансген заставляет их реагировать на желтый свет.

Но для этого эксперимента исследователи должны были использовать альтернативное оптогенное решение, чтобы объяснить быстрый темп, с помощью которого сенсорная информация обрабатывается нейронами.

«Биологические механорецепторы способны генерировать сигналы с точностью до нескольких сотен электрических импульсов в секунду, - говорит Чортос. «Предыдущие оптогенетические технологии способны только стимулировать мозговые клетки намного медленнее, чем мы должны имитировать настоящие механорецепторы».

Чортос указывает на работу Андре Берндта и Карла Дейссерота, которые разработали новый тип оптико-энзиматической терапии, которая позволяет очень быстро стимулировать клетки мозга, чтобы они были совместимы со скоростью реальных механорецепторов.

Исследовательская группа Tee показывает, что новые оптогенетические белки способны выдерживать более длительные интервалы стимуляции, что свидетельствует о том, что система может быть совместима с другими быстро развивающимися нейронами, включая периферические нервы. Другими словами, DiTact, скорее всего, будет работать на живых мышах и, возможно, на людях. И действительно, исследователи сказали Gizmodo, что следующим шагом в их исследовании будет использование их датчика для стимуляции нерва живых мышей.

From Science Fiction to Reality
From Science Fiction to Reality

Учитывая, что сигналы передавались в кусты клеток в чашке Петри, а не живом животном, как они могли быть уверены, что их сигналы имеют правильную природу и интенсивность?

«Мы могли бы подтвердить, что наш датчик передает правильную информацию животному [живому], используя поведенческие сигналы, то есть, как животное ведет себя в ответ на давление», - сказал Чортос. «Окончательный тест будет заключаться в том, чтобы прикрепить датчик к человеку и спросить их, что они чувствуют. Чтобы получить действительно естественное сенсорное восприятие, нам может потребоваться изменить и настроить наш дизайн ».

Действительно, конечной целью является проникновение человеческого протезирования с помощью сенсорной чувствительной кожи.

«Мы предполагаем, что наши искусственные механорецепторы оказывают наибольшее влияние посредством интеграции для сенсорной обратной связи с протезными системами в развитии другими группами», - отметил соавтор Аманда Нгуен. «Поскольку наш датчик будет установлен рядом с системами искусственной конечности, основные проблемы безопасности будут сосредоточены вокруг моделей стимуляции нервов и интерфейса».

Нгуен говорит, что ранняя работа с сенсорной обратной связью с нейропротезией у людей была многообещающей, но существует потребность в более широких и более вовлеченных человеческих исследованиях, чтобы понять, как эффективно и безопасно стимулировать нервы для обеспечения сенсорной обратной связи.

«По мере того, как будет достигнуто большее понимание параметров стимуляции, продукция нашего искусственного механорецептора будет настроена на последующие парадигмы стимуляции», - сказала она. «Благодаря продемонстрированной эффективности и безопасности потенциал для улучшения качества жизни людей с тактильными нарушениями может быть сбалансирован с этическими проблемами, вызванными нейропротезиями. Доступность этого типа технологий у людей будет возрастать по мере роста нашего понимания нейронауки, а протезная технология будет способствовать появлению нюансных сенсорных восприятий ».

Действительно, этот путь исследований станет более безопасным и с меньшей этикой сомнительным с течением времени. Например, для того, чтобы оптикоэлектроника работала правильно и безопасно у людей, например, исследователи должны были бы выяснить способ получения оптико-электронной продукции, не прибегая к инвазивным оптоволоконным проводам и вирусной доставке трансгенов пациентам.

По словам Полины Аникеевой, профессора Материаловедения и инженерии в Массачусетском технологическом институте, вскоре может появиться возможность использовать стволовые клетки у пациента и обеспечить их чувствительность к определенной длине волны света посредством генетической манипуляции вне тела. Она сказала Gizmodo, что эти клетки затем могут быть потенциально повторно введены в периферический нерв пациента, что позволяет им стимулироваться оптически. Никаких проводов, этически сомнительных трансгенных генов. Аникеева говорит, что также возможно использовать нейронную стимуляцию для повышения способности нерва регенерировать себя или даже создавать интимные интерфейсы с синтетическими датчиками.

Достаточно сказать, что мы не увидим эти технологии в течение многих лет, если не десятилетия. Но благодаря работе Ти и его команды в Стэнфорде путь к достижению этой цели становится все более понятным.

Прочтите все исследование в Science : « Органический цифровой механорецептор, созданный кожей ».


Напишите автора на george@gizmodo.com и следуйте за ним в @dvorsky . Топ-образ Бао Исследовательской группы, Стэнфордский университет

11 Comments

synthozoic
Menebrio
Keyan Reid
FM
Hotscot
Admiral Asskicker

Suggested posts

Other George Dvorsky's posts

Language