طور الباحثون نظامًا عصبيًا حسيًا صناعيًا يمكنه معالجة معلومات مشابهة لجسم الإنسان ويمكنه بشكل فعال إعطاء الإحساس باللمس للأطراف الصناعية
بشرتنا ، أكبر عضو في الجسم ، هي أيضًا الأكثر أهمية لأنها تغطي الجسم بالكامل وتتحكم في درجة حرارة أجسامنا وتحمينا من العوامل الخارجية الضارة مثل الشمس ودرجات الحرارة غير الطبيعية والجراثيم وما إلى ذلك. يمكن لبشرتنا أن تتمدد بشكل ملحوظ ويمكنها إصلاح نفسها. الجلد مهم أيضًا لأنه يمنحنا إحساسًا باللمس يمكننا من خلاله اتخاذ القرارات. الجلد هو نظام استشعار وإشارات معقد بالنسبة لنا.
في دراسة نشرت في علوم، قام الباحثون بقيادة البروفيسور زينان باو في جامعة ستانفورد وجامعة سيول الوطنية بتطوير مصطنع نظام العصب الحسي الذي يمكن أن يكون خطوة كبيرة نحو خلق "الجلد الاصطناعي" الأطراف الاصطناعية الأطراف التي يمكن أن تعيد الإحساس وتتصرف مثل غطاء الجلد الطبيعي. كان الجانب الصعب في هذه الدراسة هو كيفية محاكاة بشرتنا بشكل فعال والتي تمتلك العديد من الخصائص الفريدة. الميزة الأكثر صعوبة في تقليدها هي الطريقة التي تتصرف بها بشرتنا كأنها ذكية حسي الشبكة التي تنقل الأحاسيس أولاً إلى الدماغ وتطلب أيضًا من عضلاتنا أن تتفاعل من خلال رد الفعل لاتخاذ قرارات سريعة. على سبيل المثال ، يتسبب النقر في تمدد عضلات الكوع ، وتقوم أجهزة الاستشعار الموجودة في هذه العضلات بإرسال نبضات إلى الدماغ عبر خلية عصبية. ثم ترسل العصبون سلسلة من الإشارات إلى المشابك ذات الصلة. تتعرف الشبكة المشبكية في أجسامنا على نمط التمدد المفاجئ في العضلات وترسل إشارتين في وقت واحد. تؤدي إحدى الإشارات إلى تقلص عضلات المرفق كرد فعل ، وتذهب الإشارة الثانية إلى الدماغ للإبلاغ عن هذا الإحساس. هذا التسلسل الكامل للحدث يحدث في جزء من الثانية تقريبًا. لا يزال محاكاة أنظمة الأعصاب الحسية البيولوجية المعقدة ، بما في ذلك جميع العناصر الوظيفية في شبكة الخلايا العصبية ، يمثل تحديًا.
نظام عصبي حسي فريد من نوعه "يحاكي" الواقع
ابتكر الباحثون نظامًا حسيًا فريدًا لا يمكن أن يكرر كيفية عمل الجهاز العصبي البشري. تدمج "دائرة العصب الاصطناعي" التي صممها الباحثون ثلاثة مكونات في صفيحة مسطحة ومرنة بقياس سنتيمترات قليلة. تم وصف هذه المكونات بشكل فردي سابقًا. المكون الأول هو لمسة مدخل بطاقة الذاكرة : نعم والتي يمكنها اكتشاف القوى والضغط (حتى الصغيرة منها). هذا المستشعر (مصنوع من عضوي ترسل البوليمرات وأنابيب الكربون النانوية والأقطاب الكهربائية الذهبية إشارات عبر مكون ثانٍ، وهو عصبون إلكتروني مرن. كلا هذين المكونين عبارة عن نسخ محسنة ومحسنة لما تم تطويره بواسطة نفس الباحثين من قبل. يتم تسليم الإشارات الحسية التي يتم توليدها وتمريرها عبر هذين المكونين إلى مكون ثالث، وهو ترانزستور متشابك اصطناعي تم تصميمه تمامًا مثل المشابك العصبية البشرية في الدماغ. يجب أن تعمل كل هذه المكونات الثلاثة بشكل متماسك، وكان إظهار الوظيفة النهائية هو الجانب الأكثر تحديًا. تقوم المشابك البيولوجية الحقيقية بنقل الإشارات وتخزين المعلومات المطلوبة لاتخاذ القرارات. يقوم هذا الترانزستور المتشابك "بأداء" هذه الوظائف عن طريق توصيل الإشارات الإلكترونية إلى الترانزستور المتشابك باستخدام دائرة العصب الاصطناعي. لذلك، يتعلم هذا النظام الاصطناعي كيفية التعرف على المدخلات الحسية والتفاعل معها بناءً على شدة وتكرار الإشارات منخفضة الطاقة، تمامًا كما يفعل المشبك البيولوجي في الجسم الحي. الجديد في هذه الدراسة هو كيفية دمج هذه المكونات الفردية الثلاثة المعروفة سابقًا بنجاح لأول مرة لتقديم نظام متماسك.
اختبر الباحثون قدرة هذا النظام على توليد ردود أفعال وكذلك حاسة اللمس. في إحدى التجارب ، قاموا بربط العصب الاصطناعي بساق صرصور ومارسوا ضغطًا ضئيلًا على مستشعر اللمس. حولت الخلايا العصبية الإلكترونية إشارة المستشعر إلى إشارات رقمية وتمريرها عبر الترانزستور المشبكي. تسبب هذا في ارتعاش ساق الصرصور بناءً على زيادة الضغط أو نقصانه في مستشعر اللمس. لذا ، فإن هذا الإعداد الاصطناعي قد نشط بالتأكيد منعكس النشل. في تجربة ثانية ، أظهر الباحثون قدرة العصب الاصطناعي في اكتشاف أحاسيس اللمس المختلفة من خلال القدرة على التمييز بين أحرف برايل. في اختبار آخر قاموا بتدوير أسطوانة فوق المستشعر في اتجاهات مختلفة وتمكنوا من اكتشاف الاتجاه الدقيق للحركة بدقة. وبالتالي ، فإن هذا الجهاز قادر على تحسين التعرف على الأشياء ومعالجة المعلومات اللمسية الدقيقة مثل التعرف على النسيج وقراءة برايل وتمييز حواف الكائنات.
مستقبل نظام العصب الحسي الصناعي
إن تقنية الأعصاب الاصطناعية هذه في مرحلة مبكرة جدًا ولم تصل إلى مستوى التعقيد المطلوب ولكنها أعطت أملاً هائلاً في صناعة أغطية جلد صناعية. من الواضح أن مثل هذه "الأغطية" تتطلب أيضًا أجهزة لاكتشاف الحرارة والاهتزاز والضغط والقوى والأحاسيس الأخرى. يجب أن يتمتعوا بقدرة جيدة على الاندماج في دوائر مرنة حتى يتمكنوا من التفاعل بشكل فعال مع الدماغ. لتقليد بشرتنا ، يحتاج الجهاز إلى مزيد من التكامل والوظائف التي تجعله أكثر استقرارًا وموثوقية.
يمكن أن تكون تقنية الأعصاب الاصطناعية هذه نعمة للأطراف الاصطناعية واستعادة الأحاسيس لدى مبتوري الأطراف. لقد تحسنت الأجهزة التعويضية كثيرًا على مدار العام مع توفر المزيد من تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد وأنظمة الروبوتات الأكثر استجابة. على الرغم من هذه الترقيات ، يجب التحكم في معظم الأجهزة التعويضية المتاحة اليوم بطريقة قاسية للغاية لأنها لا توفر واجهة مرضية جيدة مع الدماغ بسبب عدم دمج تعقيدات الجهاز العصبي البشري الواسع. الجهاز لا يعطي تغذية راجعة وبالتالي يشعر المريض بعدم الرضا الشديد ويتجاهلها عاجلاً أم آجلاً. عندما يتم دمج تقنية الأعصاب الاصطناعية هذه بنجاح في الأطراف الصناعية ، فإنها ستوفر معلومات اللمس للمستخدمين وستساعد في تزويد المرضى بتجربة أفضل. يعد هذا الجهاز خطوة كبيرة نحو إنشاء شبكات عصبية حسية شبيهة بالجلد لمختلف التطبيقات من خلال منح قوى رد الفعل وحاسة اللمس.
***
{يمكنك قراءة ورقة البحث الأصلية عن طريق النقر فوق ارتباط DOI الوارد أدناه في قائمة المصدر (المصادر) المذكورة}
المصدر (ق)
Yeongin K et al. 2018. عصب وارد عضوي مرن مستوحى من الأحياء. علوم. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
