חוקרים פיתחו מערכת עצבים חושית מלאכותית שיכולה לעבד מידע דומה לגוף האדם והיא יכולה למעשה לתת חוש מישוש לגפיים תותבות
העור שלנו, האיבר הגדול ביותר של הגוף, הוא גם החשוב ביותר שכן הוא מכסה את כל הגוף שלנו, שולט בטמפרטורת הגוף שלנו ומגן עלינו מפני גורמים חיצוניים מזיקים כמו שמש, טמפרטורות חריגות, חיידקים וכו'. העור שלנו יכול להימתח בצורה יוצאת דופן ויכול לתקן את עצמו. העור חשוב גם כי הוא מספק לנו תחושת מגע שדרכה אנו מסוגלים לקבל החלטות. העור הוא מערכת חישה ואיתות מורכבת עבורנו.
במחקר שפורסם ב מדע, חוקרים בראשות פרופ' ז'נן באו באוניברסיטת סטנפורד ובאוניברסיטה הלאומית של סיאול פיתחו א מלאכותי מערכת העצבים החושית שיכולה להיות צעד גדול לקראת יצירת "עור מלאכותי" עבור תותבות גפיים שיכולות להחזיר את התחושה ולהתנהג כמו כיסוי עור רגיל. ההיבט המאתגר של מחקר זה היה כיצד לחקות ביעילות את העור שלנו בעל מספר תכונות ייחודיות. התכונה שהכי קשה לחקות היא האופן שבו העור שלנו מתנהג כמו חכם חושי רשת אשר תחילה מעבירה תחושות למוח וגם מצווה על השרירים שלנו להגיב באמצעות רפלקס כדי לקבל החלטות מיידיות. לדוגמה, הקשה גורמת לשרירי המרפק להימתח, וחיישנים בשרירים אלו שולחים דחף למוח דרך נוירון. לאחר מכן הנוירון שולח סדרה של אותות לסינפסות רלוונטיות. הרשת הסינפטית בגופנו מזהה את דפוס המתיחה הפתאומית בשרירים ושולחת שני אותות בו זמנית. אות אחד גורם לשרירי המרפק להתכווץ כרפלקס ואות שני עובר למוח כדי ליידע על תחושה זו. כל רצף האירועים הזה מתרחש כמעט בשבריר שניות. חיקוי מערכת העצבים הביולוגית התחושתית המסובכת הזו, הכוללת את כל האלמנטים התפקודיים ברשת הנוירונים, עדיין נותרה מאתגרת.
מערכת עצבים חושית ייחודית אשר "מחקה" את האמיתי
חוקרים יצרו מערכת תחושתית ייחודית אשר תוכל לשחזר את אופן פעולת מערכת העצבים האנושית. "מעגל העצבים המלאכותי" שתוכנן על ידי חוקרים משלב שלושה מרכיבים לתוך יריעה שטוחה וגמישה בגודל סנטימטרים ספורים. רכיבים אלה תוארו בעבר בנפרד. המרכיב הראשון הוא מגע חיישן which can detect forces and pressure (even mini ones). This sensor (made of אורגני polymers, carbon nanotubes and gold electrodes) send signals through a second component, a flexible electronic neuron. Both these components are enhanced and improved versions of what was developed by same researchers before. Sensory signals generated and passed through these two components are delivered to a third component, an artificial synaptic transistor which is modelled exactly like human synapses in the brain. All these three components have to work cohesively and demonstrating the end function was the most challenging aspect. Real biological synapses relay signals and store information which is required to take decisions. This synaptic transistor “performs” these functions by delivering electronic signals to the synaptic transistor by using the artificial nerve circuit. Therefore, this artificial system learns to recognize and react to sensory inputs based upon the intensity and frequency of low-power signals, just how a biological synapse would do in a living body. The novelty of this study is how these three individual components that are known previously were integrated successfully for the first time to deliver a cohesive system.
חוקרים בדקו את היכולת של מערכת זו ליצור רפלקסים וגם לחוש מגע. באחד הניסויים הם חיברו את העצב המלאכותי שלהם לרגל של ג'וק והפעילו לחץ זעיר על חיישן המגע שלהם. הנוירון האלקטרוני המיר את אות החיישן לאותות דיגיטליים והעביר אותם דרך הטרנזיסטור הסינפטי. זה גרם לרגל של הג'וק להתעוות בהתבסס על עליית הלחץ או הירידה בחיישן המגע. אז, ההתקנה המלאכותית הזו בהחלט הפעילה את רפלקס העווית. בניסוי שני, החוקרים הציגו את יכולתו של העצב המלאכותי בזיהוי תחושות מגע שונות על ידי היכולת להבדיל בין אותיות ברייל. בבדיקה נוספת הם גלגלו צילינדר על החיישן לכיוונים שונים והצליחו לזהות במדויק את כיוון התנועה המדויק. לפיכך, מכשיר זה מסוגל לשפר את זיהוי האובייקטים ועיבוד מידע מישוש עדין כמו זיהוי מרקם, קריאת ברייל והבחנה בקצוות של אובייקטים.
עתיד מערכת העצבים החושית המלאכותית
טכנולוגיית עצבים מלאכותיים זו נמצאת בשלב מוקדם מאוד ולא הגיעה לרמת המורכבות הנדרשת אך נתנה תקווה עצומה ליצירת כיסויי עור מלאכותיים. ברור ש"כיסויים" כאלה ידרשו גם מכשירים לזיהוי חום, רטט, לחץ ועוד כוחות ותחושות. הם צריכים להיות בעלי יכולת טובה להטמע במעגלים גמישים כדי שיוכלו להתממשק ביעילות עם המוח. כדי לחקות את העור שלנו, המכשיר צריך להיות יותר אינטגרציה ופונקציונליות שיהפכו אותו ליציב ואמין יותר.
טכנולוגיית עצבים מלאכותיים זו יכולה להיות ברכה עבור תותבות ולשחזר תחושות אצל קטועי גפיים. מכשירי התותבות השתפרו מאוד במהלך השנה עם יותר טכנולוגיית הדפסה תלת מימדית זמינה ומערכות רובוטיקה רספונסיביות יותר. למרות השדרוגים הללו, רוב מכשירי התותבת הזמינים כיום צריכים להיות נשלטים בצורה גסה מאוד מכיוון שהם אינם מספקים ממשק מספק טוב עם המוח בגלל חוסר שילוב של המורכבויות של מערכת העצבים האנושית העצומה. המכשיר אינו נותן משוב וכך המטופל מרגיש מאוד לא מרוצה ומשליך אותם במוקדם או במאוחר. טכנולוגיה כזו של עצבים מלאכותיים, כאשר שולבה בהצלחה בתותבות, תספק מידע מגע למשתמשים ותעזור לספק למטופלים חוויה טובה יותר. מכשיר זה מהווה צעד גדול לקראת יצירת רשתות עצביות תחושתיות דמויות עור עבור יישומים שונים על ידי הענקת כוחות של רפלקס וחוש מגע.
***
{תוכל לקרוא את עבודת המחקר המקורית על ידי לחיצה על קישור ה-DOI המופיע להלן ברשימת המקורות המצוטטים}
מקור (ים)
Yeongin K et al. 2018. עצב אפרנטי מלאכותי אורגני גמיש בהשראה ביולוגית. מדע. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
