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Künstliches sensorisches Nervensystem: Ein Segen für die Prothetik

INGENIEURWISSENSCHAFTENKünstliches sensorisches Nervensystem: Ein Segen für die Prothetik

Forscher haben ein künstliches sensorisches Nervensystem entwickelt, das ähnliche Informationen wie der menschliche Körper verarbeiten kann und den prothetischen Gliedmaßen effektiv einen Tastsinn geben könnte

Unsere Haut, das größte Organ des Körpers, ist auch das wichtigste, da sie unseren gesamten Körper bedeckt, unsere Körpertemperatur kontrolliert und uns vor schädlichen äußeren Faktoren wie Sonne, anormalen Temperaturen, Keimen usw. schützt. Unsere Haut kann sich bemerkenswert dehnen und sich selbst reparieren. Die Haut ist auch deshalb wichtig, weil sie uns einen Tastsinn bietet, durch den wir Entscheidungen treffen können. Die Haut ist für uns ein komplexes Wahrnehmungs- und Signalsystem.

In einer Studie veröffentlicht Wissenschaft, haben Forscher um Prof. Zhenan Bao von der Stanford University und der Seoul National University ein künstlich Sinnesnervensystem, das ein großer Schritt in Richtung „künstliche Haut“ sein könnte für Prothetik Gliedmaßen, die das Gefühl wiederherstellen und wie eine normale Hauthülle wirken können. Der herausfordernde Aspekt dieser Studie bestand darin, unsere Haut, die mehrere einzigartige Eigenschaften besitzt, effektiv nachzuahmen. Am schwierigsten nachzuahmen ist die Art und Weise, wie sich unsere Haut wie ein Smart verhält sensorisch Netzwerk, das einerseits Empfindungen an das Gehirn weiterleitet und andererseits unseren Muskeln anordnet, reflexartig zu reagieren, um zeitnahe Entscheidungen zu treffen. Ein Klopfen bewirkt beispielsweise, dass sich die Ellbogenmuskeln dehnen, und Sensoren in diesen Muskeln senden über ein Neuron Impulse an das Gehirn. Das Neuron sendet dann eine Reihe von Signalen an relevante Synapsen. Das synaptische Netzwerk in unserem Körper erkennt das Muster plötzlicher Muskeldehnung und sendet gleichzeitig zwei Signale aus. Ein Signal bewirkt, dass sich die Ellenbogenmuskulatur reflexartig zusammenzieht und ein zweites Signal geht an das Gehirn, um über diese Empfindung zu informieren. Diese ganze Ereignissequenz geschieht in fast einem Bruchteil einer Sekunde. Die Nachahmung dieses komplizierten biologischen sensorischen Nervensystems einschließlich aller funktionellen Elemente im Netzwerk von Neuronen bleibt immer noch eine Herausforderung.

Einzigartiges sensorisches Nervensystem, das das Reale „nachahmt“

Forscher haben ein einzigartiges sensorisches Niemals-System geschaffen, das die Funktionsweise des menschlichen Nervensystems nachbilden könnte. Der von den Forschern entwickelte „künstliche Nervenkreislauf“ integriert drei Komponenten in eine flache, flexible Folie von wenigen Zentimetern. Diese Komponenten wurden zuvor einzeln beschrieben. Die erste Komponente ist eine Berührung Sensor die Kräfte und Druck (auch kleine) erkennen kann. Dieser Sensor (aus organischen Polymeren, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Goldelektroden) sendet Signale durch eine zweite Komponente, ein flexibles elektronisches Neuron. Beide Komponenten sind verbesserte und verbesserte Versionen dessen, was zuvor von denselben Forschern entwickelt wurde. Sensorische Signale, die durch diese beiden Komponenten erzeugt und geleitet werden, werden an eine dritte Komponente geliefert, einen künstlichen synaptischen Transistor, der genau wie menschliche Synapsen im Gehirn modelliert ist. Alle diese drei Komponenten müssen zusammenwirken und die Demonstration der Endfunktion war die größte Herausforderung. Echte biologische Synapsen leiten Signale weiter und speichern Informationen, die zum Treffen von Entscheidungen erforderlich sind. Dieser synaptische Transistor „führt“ diese Funktionen aus, indem er elektronische Signale an den synaptischen Transistor unter Verwendung des künstlichen Nervenschaltkreises liefert. Daher lernt dieses künstliche System, sensorische Eingaben basierend auf der Intensität und Frequenz von Signalen geringer Leistung zu erkennen und darauf zu reagieren, genau wie eine biologische Synapse in einem lebenden Körper funktionieren würde. Das Neue an dieser Studie ist, dass diese drei bisher bekannten Einzelkomponenten erstmals erfolgreich zu einem zusammenhängenden System integriert wurden.

Die Forscher testeten die Fähigkeit dieses Systems, Reflexe zu erzeugen und auch Berührungen wahrzunehmen. In einem Experiment befestigten sie ihren künstlichen Nerv an einem Kakerlakenbein und übten winzigen Druck auf ihren Berührungssensor aus. Das elektronische Neuron wandelte das Sensorsignal in digitale Signale um und leitete sie durch den synaptischen Transistor. Dies führte dazu, dass das Bein der Kakerlake aufgrund des Druckanstiegs oder -abfalls im Berührungssensor zuckte. Dieses künstliche Setup hat also sicherlich den Zuckreflex aktiviert. In einem zweiten Experiment zeigten die Forscher die Fähigkeit des künstlichen Nervs, verschiedene Berührungsempfindungen zu erkennen, indem er Braille-Buchstaben unterscheiden konnte. In einem anderen Test rollten sie einen Zylinder in verschiedene Richtungen über den Sensor und konnten die genaue Bewegungsrichtung genau erkennen. Somit ist dieses Gerät in der Lage, die Objekterkennung und feine taktile Informationsverarbeitung wie Texturerkennung, Braille-Lesen und die Unterscheidung von Objektkanten zu verbessern.

Zukunft des künstlichen sensorischen Nervensystems

Diese künstliche Nerventechnologie befindet sich noch in einem sehr frühen Stadium und hat noch nicht das erforderliche Komplexitätsniveau erreicht, hat aber große Hoffnungen gemacht, künstliche Hautabdeckungen zu schaffen. Es ist klar, dass solche „Abdeckungen“ auch Geräte erfordern würden, um Hitze, Vibration, Druck und andere Kräfte und Empfindungen zu erkennen. Sie müssen eine gute Fähigkeit haben, sich in flexible Schaltkreise einzubetten, damit sie effektiv mit dem Gehirn kommunizieren können. Um unsere Haut nachzuahmen, muss das Gerät mehr Integration und Funktionalität haben, was es stabiler und zuverlässiger macht.

Diese künstliche Nerventechnologie könnte ein Segen für die Prothetik sein und Empfindungen bei Amputierten wiederherstellen. Die prothetischen Geräte haben sich im Laufe des Jahres mit mehr verfügbarer 3D-Drucktechnologie und reaktionsschnelleren Robotersystemen stark verbessert. Trotz dieser Verbesserungen müssen die meisten heute verfügbaren prothetischen Vorrichtungen sehr grob gesteuert werden, da sie keine gute zufriedenstellende Schnittstelle zum Gehirn bieten, da die Feinheiten des riesigen menschlichen Nervensystems nicht berücksichtigt werden. Das Gerät gibt keine Rückmeldungen und somit fühlt sich der Patient sehr unzufrieden und verwirft sie früher oder später. Eine solche künstliche Nerventechnologie wird, wenn sie erfolgreich in die Prothetik integriert wird, den Benutzern Berührungsinformationen liefern und dazu beitragen, den Patienten ein besseres Erlebnis zu bieten. Dieses Gerät ist ein großer Schritt zur Herstellung hautähnlicher sensorischer neuronaler Netze für verschiedene Anwendungen, indem es Reflexe und Tastsinn verleiht.

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{Sie können das ursprüngliche Forschungspapier lesen, indem Sie auf den unten angegebenen DOI-Link in der Liste der zitierten Quellen klicken}

Quelle (n)

Yeongin K et al. 2018. Ein bioinspirierter flexibler organischer künstlicher afferenter Nerv. Wissenschafthttps://doi.org/10.1126/science.aao0098

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