Forskare från Stanford och Seoul National University har utvecklat ett artificiellt sensoriskt nervsystem som kan aktivera ryckreflexen i en kackerlacka och identifiera bokstäver i blindskriftsalfabetet.

Arbetet, rapporterade 31 maj in Vetenskap , är ett steg mot att skapa konstgjord hud för proteser, för att återställa känslan hos amputerade och, kanske, en dag ge robotar någon typ av reflexförmåga.

"Vi tar huden för givet men det är en komplex känsla, signal- och beslutssystem, sade Zhenan Bao, en professor i kemiteknik och en av seniorförfattarna. "Detta artificiella sensoriska nervsystem är ett steg mot att skapa hudliknande sensoriska neurala nätverk för alla möjliga applikationer."

Byggklossar

Denna milstolpe är en del av Baos strävan att efterlikna hur huden kan sträcka sig, reparera sig själv och, mest anmärkningsvärt, agera som ett smart sensoriskt nätverk som inte bara vet hur man överför behagliga förnimmelser till hjärnan, men också när man ska beordra musklerna att reagera reflexmässigt för att fatta snabba beslut.

Det nya Science-dokumentet beskriver hur forskarna konstruerade en artificiell sensorisk nervkrets som skulle kunna bäddas in i ett framtida hudliknande skydd för neuroproteser och mjuk robotik. Denna rudimentära artificiella nervkrets integrerar tre tidigare beskrivna komponenter.

Den första är en beröringssensor som kan upptäcka även små krafter. Denna sensor skickar signaler genom den andra komponenten - en flexibel elektronisk neuron. Peksensorn och den elektroniska neuronen är förbättrade versioner av uppfinningar som tidigare rapporterats av Bao-labbet.

Sensoriska signaler från dessa komponenter stimulerar den tredje komponenten, en konstgjord synaptisk transistor modellerad efter mänskliga synapser. Den synaptiska transistorn är skapad av Tae-Woo Lee från Seoul National University, som tillbringade sitt sabbatsår i Baos Stanford-labb för att initiera samarbetet.

"Biologiska synapser kan vidarebefordra signaler, och även lagra information för att fatta enkla beslut, sa Lee, som var en andra senior författare på tidningen. "Den synaptiska transistorn utför dessa funktioner i den artificiella nervkretsen."

Lee använde en knäreflex som ett exempel på hur mer avancerade artificiella nervkretsar en dag kan vara en del av en artificiell hud som skulle ge proteser eller robotar både sinnen och reflexer.

I människor, när en plötslig knackning får knämusklerna att sträcka sig, vissa sensorer i dessa muskler skickar en impuls genom en neuron. Neuronen i sin tur skickar en serie signaler till de relevanta synapserna. Det synaptiska nätverket känner igen mönstret av den plötsliga sträckningen och avger två signaler samtidigt, en som får knämusklerna att dra ihop sig reflexmässigt och en andra, mindre brådskande signal för att registrera känslan i hjärnan.

Få det att fungera

Det nya verket har en lång väg att gå innan det når den nivån av komplexitet. Men i Science paper, gruppen beskriver hur den elektroniska neuronen levererade signaler till den synaptiska transistorn, som var konstruerad på ett sådant sätt att den lärde sig att känna igen och reagera på sensoriska input baserat på intensiteten och frekvensen av lågeffektsignaler, precis som en biologisk synaps.

Gruppmedlemmarna testade systemets förmåga att både generera reflexer och känna beröring.

I ett test kopplade de sin konstgjorda nerv till ett kackerlackaben och applicerade små steg av tryck på sin beröringssensor. Den elektroniska neuronen omvandlade sensorsignalen till digitala signaler och vidarebefordrade dem genom den synaptiska transistorn, vilket får benet att rycka mer eller mindre kraftigt när trycket på beröringssensorn ökade eller minskade.

De visade också att den konstgjorda nerven kunde upptäcka olika beröringsförnimmelser. I ett experiment kunde den konstgjorda nerven särskilja punktskriftsbokstäver. I en annan, de rullade en cylinder över sensorn i olika riktningar och detekterade exakt rörelseriktningen.

Baos doktorander Yeongin Kim och Alex Chortos, plus Wentao Xu, en forskare från Lees eget labb, var också centrala för att integrera komponenterna i det funktionella artificiella sensoriska nervsystemet.

Forskarna säger att artificiell nervteknologi fortfarande är i sin linda. Till exempel, att skapa konstgjorda hudtäckningar för proteser kommer att kräva nya enheter för att upptäcka värme och andra förnimmelser, förmågan att bädda in dem i flexibla kretsar och sedan ett sätt att koppla allt detta till hjärnan.

Gruppen hoppas också skapa lågeffekt, konstgjorda sensornät för att täcka robotar, Tanken är att göra dem mer smidiga genom att ge lite av samma feedback som människor får från sin hud.