Vi är ett steg närmare att skapa konstgjord hud med en känsla av beröring

George Dvorsky just a moment. 11 comments
Futurism Assistive Devices Prosthetics Artificial Skin Biotechnology Biology Science Neuroscience

Skärproteser är fantastiska, men de saknar en mycket viktig funktion: en känsla av beröring. Nu har ett forskargrupp från Stanford University utvecklat en artificiell hud som kan känna kraft som utövas av föremål - och sedan överföra dessa sensoriska signaler till hjärnceller.

Otillräcklig sensorisk återkoppling är en allvarlig begränsning av nuvarande proteser, oavsett om de är artificiella händer, armar eller ben. Användare måste kunna känna till hur ett föremål svarar på sin beröring för att få optimal motorstyrning. Annars är det svårt att veta hur mycket kraft som utövas på ett objekt, eller känna till saker som temperatur och textur. Vad som händer, känslan av beröring - eller till och med illusionen av det - kan mildra fantomarmsmärta, vilket påverkar cirka 80% av amputema.

Vi är fortfarande långt borta från att kunna skapa konstgjord hud som känns och reagerar på samma sätt som den naturliga huden gör, men Stanford-teamet, ledt av elingenjör Benjamin Tee , genomförde nyligen ett proof-of-concept-experiment som tar oss ett betydande steg närmare.

Sträckbar hud med flexibla artificiella mekanoreceptorer (Kredit: Bao Research Group / Stanford University

Genom att använda flexibla organiska kretsar och en innovativ nytryckssensor, utvecklade Tees team en slags konstgjord hud som kan känna av statiska föremål. Dessutom sändes denna sensoriska data sedan till odlad, dvs in vitro , hjärnceller från möss med hjälp av optogenetisk teknik. De har publicerat resultaten av sitt arbete i tidskriften Science .

Tiny Pyramids of Touch

Systemet, kallat DiTact (Digital Tactile System), är baserat på en låg effekt, flexibel organisk transistor krets som förvandlar känslan av tryck till samma typ av signaler som genereras naturligt av naturliga hudens mekanoreceptorer. Dessa signaler omvandlades i sin tur till en serie spänningsimpulser.

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

För att få sensorerna att registrera det brett dynamiska trycket, använde forskarna kolnanorör gjutna till pyramidala strukturer.

"Vår sensor var gjord av små pyramider av gummi med kolnanorör distribuerade i det," noterade studie medförfattare Alex Chortos i ett email till Gizmodo. "Den här strukturen var väldigt användbar eftersom det gjorde det möjligt för oss att enkelt ändra några saker, som avståndet mellan pyramiderna, pyramidernas storlek och koncentrationen av kolnanorör för att få de perfekta tryckavkänningsegenskaperna i rätt intervall. ”

Dessa mikrostrukturer gjorde det möjligt för forskare att maximera sensorns känslighet på ett sätt som nära approximerar känsligheten hos naturliga hudens kutana receptorer.

Transferring Signals

På egen hand gör dessa signaler ingenting. För att de ska kunna upplevas som sensorisk feedback måste de överföras till en hjärna. För detta ändamål tog forskarna dessa signaler, som varierade mellan 0 och 200 hertz, och överförde dem via optiska fibrer till de corticala nerverna hos möss. DiTact är fortfarande i en tidig utvecklingsfas, så forskarna överförde signalerna till odlade celler in vitro , snarare in i hjärnorna hos levande möss.

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

Denna teknik, kallad optogenetik, kan så småningom användas på levande ämnen. Genom denna process stimuleras neuronerna för att avfyra eller sluta skjuta av genenekniska neuroner som svarar mot ljuset. En transgen från alger gör att neuroner brandar när de utsätts för blått ljus, och en bakteriell transgen får dem att reagera på gult ljus.

Men för detta experiment var forskarna tvungna att använda en alternativ optogenetisk lösning för att ta hänsyn till den snabba hastigheten vid vilken sensorisk information behandlas av neuroner.

"Biologiska mekanoreceptorer kan producera signaler så fort som flera hundra elektriska pulser per sekund", säger Chortos. "Tidigare optogenetiska tekniker kunde bara stimulera hjärncellerna mycket långsammare än vi behöver efterlikna verkliga mekanoreceptorer."

Chortos pekar på arbetet med Andre Berndt och Karl Deisseroth som utvecklat en ny typ av optogenetisk behandling som gör det möjligt för hjärnceller att stimuleras mycket snabbt så att de är kompatibla med hastigheten hos verkliga mekanoreceptorer.

Tees forskargrupp visar att de nya optogenetiska proteinerna kunde rymma längre stimuleringsintervaller, vilket är en stark indikation på att systemet kan vara kompatibelt med andra snabba neuroner, inklusive perifera nerver. Med andra ord, DiTact kommer sannolikt att fungera i levande möss, och möjligen människor. Och faktiskt sa forskarna till Gizmodo att nästa steg i sin forskning kommer att vara att använda sin sensor för att stimulera nerven hos levande möss.

From Science Fiction to Reality
From Science Fiction to Reality

Med tanke på att signalerna överfördes till klumpar av celler i en petriskål och inte ett levande djur, hur kunde de vara säkra på att deras signaler var av rätt natur och intensitet?

"Vi kan bekräfta att vår sensor överför rätt information till [ett levande] djur med hjälp av beteendemässiga signaler, det vill säga hur djuret beter sig som svar på tryck", sa Chortos. "Det ultimata testet är att fästa sensorn på en människa och fråga dem vad de känner. För att få en riktigt naturlig touch-sensing kan vi behöva modifiera och anpassa vår design. "

Det yttersta målet är faktiskt att införa mänsklig protetik med beröringskänslig konstgjord hud.

"Vi ser vår artificiella mekanoreceptorer som störst genom integration för sensorisk återkoppling med protesystem som utvecklats av andra grupper," noterade medförfattaren Amanda Nguyen. "Eftersom vår sensor skulle monteras vid sidan av artificiella lemmarsystem, är de primära säkerhetsproblemen centrerade kring nervstimuleringsmönster och gränssnitt."

Nguyen säger att tidigt arbete med sensorisk återkoppling med neuroprostetik hos människor har varit lovande, men det finns ett behov av större och mer involverade mänskliga studier för att förstå hur man effektivt och säkert stimulerar nerver för att ge sensorisk återkoppling.

"Eftersom en större förståelse för stimuleringsparametrar uppnås kommer utmatningen från vår artificiella mekanoreceptor att anpassas för att följa dessa stimuleringsparadigmer", sa hon. "Med påvisad effektivitet och säkerhet kan potentialen för att förbättra livskvaliteten för personer med taktil funktionsnedsättning balanseras med de etiska problem som uppstår vid neuroprostetik. Tillgängligheten av denna typ av teknik hos människor kommer att växa, eftersom både vår förståelse för neurovetenskap växer och protetisk teknik utvecklas för att ge nyanserade sensoriska uppfattningar. "

Faktum är att denna aveny av forskning blir säkrare och mindre etiskt tvivelaktig över tiden. För att optogenetik ska kunna fungera korrekt och säkert hos människor, måste forskare exempelvis finna en väg att få optogenetik att fungera utan att tillgripa invasiva fiberoptiska ledningar och viral leverans av transgener till patienter.

Enligt Polina Anikeeva, professor i materialvetenskap och teknik vid MIT, kan det snart bli möjligt att använda stamceller från patienten och möjliggöra deras känslighet för en viss våglängd av ljus genom genetisk manipulation utanför kroppen. Hon berättade för Gizmodo att dessa celler sedan kan återintroduceras i patientens perifera nerv, så att de senare kan optiskt stimuleras. Inga ledningar, inga etiskt tvivelaktiga transgener. Anikeeva säger att det också kan vara möjligt att använda neurostimulering för att förbättra nervens förmåga att regenerera sig eller till och med bilda intima gränssnitt med syntetiska sensorer.

Räcker med att säga, vi kommer inte se dessa typer av teknik i åratal, om inte årtionden. Men tack vare Tees och hans lag i Stanford blir vägen för att nå detta mål allt tydligare.

Läs hela studien på Science : " En hudinspirerad organisk digital mekanoreceptor ".


Maila författaren på george@gizmodo.com och följ honom på @dvorsky . Toppbild av Bao Research Group, Stanford University

HighResolutionMusic.com - Download Hi-Res Songs

11 Comments

synthozoic
Menebrio
Keyan Reid
FM
Hotscot
Admiral Asskicker

Suggested posts

Other George Dvorsky's posts

Language