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人工感觉神经系统:假肢的福音

工程技术人工感觉神经系统:假肢的福音

研究人员开发出一种人工感觉神经系统,可以处理类似于人体的信息,可以有效地赋予假肢触觉

我们的皮肤是人体最大的器官,也是最重要的器官,因为它覆盖了我们的整个身体,控制我们的体温并保护我们免受阳光、异常温度、细菌等有害外部因素的影响。我们的皮肤可以显着伸展并可以自我修复。 皮肤也很重要,因为它为我们提供了一种触觉,通过它我们能够做出决定。 皮肤对我们来说是一个复杂的传感和信号系统。

在发表的一项研究 科学由斯坦福大学和首尔国立大学的鲍哲南教授领导的研究人员开发了一种 人造的 感觉神经系统可能是朝着创造“人造皮肤”迈出的一大步 假肢 可以恢复感觉并像正常皮肤覆盖物一样的四肢。 这项研究的挑战性方面是如何有效地模仿我们的皮肤,它具有多种独特的特性。 最难模仿的特征是我们的皮肤像一个聪明的 感官 网络首先将感觉传输到大脑,然后命令我们的肌肉通过反射做出反应以做出及时的决定。 例如,敲击会使肘部肌肉伸展,这些肌肉中的传感器通过神经元向大脑发送脉冲。 然后神经元向相关突触发送一系列信号。 我们体内的突触网络识别肌肉突然拉伸的模式并同时发出两个信号。 一个信号导致肘部肌肉作为反射收缩,第二个信号到达大脑以告知这种感觉。 这整个事件序列几乎在几分之一秒内发生。 模仿这种复杂的生物感觉神经系统,包括神经元网络中的所有功能元件仍然具有挑战性。

“模仿”真实的独特感觉神经系统

研究人员创造了一种独特的感觉系统,可以复制人类神经系统的功能。 研究人员设计的“人工神经回路”将三个组件集成到一个只有几厘米的扁平柔性薄片中。 这些组件之前已经单独描述过。 第一个组件是触摸 传感器 它可以检测力和压力(甚至是迷你的)。 这种传感器(由有机聚合物、碳纳米管和金电极制成)通过第二个组件(一个灵活的电子神经元)发送信号。 这两个组件都是之前由相同研究人员开发的组件的增强和改进版本。 产生并通过这两个组件的感觉信号被传送到第三个组件,一个人工突触晶体管,其模型与人类大脑中的突触完全相同。 所有这三个组件都必须协同工作,而展示最终功能是最具挑战性的方面。 真正的生物突触传递信号并存储做出决定所需的信息。 这个突触晶体管通过使用人工神经回路向突触晶体管传递电子信号来“执行”这些功能。 因此,这个人工系统学会了根据低功率信号的强度和频率来识别感官输入并对其做出反应,就像生物突触在活体中的作用一样。 这项研究的新颖之处在于,这三个以前已知的独立组件如何首次成功集成以提供一个有凝聚力的系统。

研究人员测试了该系统产生反射和感知触觉的能力。 在一项实验中,他们将人工神经连接到蟑螂腿上,并对触摸传感器施加微小的压力。 电子神经元将传感器信号转换为数字信号并通过突触晶体管传递。 这导致蟑螂的腿根据触摸传感器中压力的增加或减少而抽搐。 因此,这种人工设置肯定会激活抽搐反射。 在第二个实验中,研究人员展示了人工神经通过区分盲文字母来检测不同触觉的能力。 在另一项测试中,他们在传感器上向不同方向滚动了一个圆柱体,并能够准确地检测到运动的确切方向。 因此,该设备能够提高物体识别和精细触觉信息处理,如纹理识别、盲文阅读和物体边缘的区分。

人工感觉神经系统的未来

这种人造神经技术处于非常早期的阶段,尚未达到所需的复杂程度,但为创造人造皮肤覆盖物带来了巨大的希望。 很明显,这种“覆盖物”还需要设备来检测热量、振动、压力和其他力和感觉。 它们必须具有良好的嵌入柔性电路的能力,以便它们能够有效地与大脑交互。 为了模仿我们的皮肤,设备需要有更多的集成和功能,使其更加稳定和可靠。

这种人工神经技术可能是假肢的福音,可以恢复截肢者的感觉。 随着更多 3D 打印技术的出现和响应速度更快的机器人系统,假肢设备在过去一年中得到了很大改进。 尽管进行了这些升级,但当今可用的大多数假肢设备必须以非常粗略的方式进行控制,因为它们无法提供令人满意的与大脑的良好接口,因为它们没有结合庞大的人类神经系统的复杂性。 该设备不提供反馈,因此患者会感到非常不满意,迟早会丢弃它们。 这种人工神经技术成功融入假肢后,将为用户提供触摸信息,并有助于为患者提供更好的体验。 该设备通过赋予反射和触觉的力量,朝着为各种应用制造类皮肤的感觉神经网络迈出了一大步。

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{您可以通过单击下面引用来源列表中给出的 DOI 链接来阅读原始研究论文}

来源(S)

Yeongin K 等。 2018. 仿生柔性有机人工传入神经。 科学https://doi.org/10.1126/science.aao0098

赛欧团队
赛欧团队https://www.ScientificEuropean.co.uk
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