Onderzoekers van Stanford en Seoul National University hebben een kunstmatig sensorisch zenuwstelsel ontwikkeld dat de spiertrekkingsreflex in een kakkerlak kan activeren en letters in het braille-alfabet kan identificeren.

Het werk, gemeld op 31 mei in Wetenschap , is een stap in de richting van het creëren van kunstmatige huid voor prothetische ledematen, om het gevoel van geamputeerden te herstellen en, misschien, op een dag robots een soort reflexvermogen geven.

"We nemen de huid als vanzelfsprekend aan, maar het is een complexe waarneming, signalerings- en besluitvormingssysteem, " zei Zhenan Bao, een professor in de chemische technologie en een van de senior auteurs. "Dit kunstmatige sensorische zenuwstelsel is een stap in de richting van het maken van huidachtige sensorische neurale netwerken voor allerlei toepassingen."

Bouw blokken

Deze mijlpaal maakt deel uit van Bao's zoektocht om na te bootsen hoe de huid kan uitrekken, zichzelf repareren en, meest opmerkelijk, fungeren als een slim sensorisch netwerk dat niet alleen aangename sensaties naar de hersenen weet te sturen, maar ook wanneer de spieren de opdracht moeten krijgen om reflexief te reageren om snelle beslissingen te nemen.

Het nieuwe Science-paper beschrijft hoe de onderzoekers een kunstmatig sensorisch zenuwcircuit construeerden dat zou kunnen worden ingebed in een toekomstige huidachtige bedekking voor neuroprothetische apparaten en zachte robotica. Dit rudimentaire kunstmatige zenuwcircuit integreert drie eerder beschreven componenten.

De eerste is een aanraaksensor die zelfs minuscule krachten kan detecteren. Deze sensor stuurt signalen door de tweede component:een flexibel elektronisch neuron. De aanraaksensor en het elektronische neuron zijn verbeterde versies van uitvindingen die eerder zijn gerapporteerd door het Bao-lab.

Sensorische signalen van deze componenten stimuleren de derde component, een kunstmatige synaptische transistor gemodelleerd naar menselijke synapsen. De synaptische transistor is het geesteskind van Tae-Woo Lee van Seoul National University, die zijn sabbatical jaar in Bao's Stanford-lab doorbracht om het gezamenlijke werk te starten.

"Biologische synapsen kunnen signalen doorgeven, en ook informatie opslaan om eenvoudige beslissingen te nemen, " zei Leen, die een tweede senior auteur op het papier was. "De synaptische transistor vervult deze functies in het kunstmatige zenuwcircuit."

Lee gebruikte een kniereflex als voorbeeld van hoe meer geavanceerde kunstmatige zenuwcircuits op een dag deel zouden kunnen uitmaken van een kunstmatige huid die prothetische apparaten of robots zowel zintuigen als reflexen zou geven.

In mensen, wanneer een plotselinge tik ervoor zorgt dat de kniespieren zich uitstrekken, bepaalde sensoren in die spieren sturen een impuls door een neuron. Het neuron stuurt op zijn beurt een reeks signalen naar de relevante synapsen. Het synaptische netwerk herkent het patroon van de plotselinge rek en zendt tegelijkertijd twee signalen uit, een waardoor de kniespieren reflexmatig samentrekken en een tweede, minder urgent signaal om de sensatie in de hersenen te registreren.

Het laten werken

Het nieuwe werk heeft nog een lange weg te gaan voordat het dat niveau van complexiteit bereikt. Maar in de Science-paper, de groep beschrijft hoe het elektronische neuron signalen afleverde aan de synaptische transistor, dat zo is ontworpen dat het leerde om sensorische inputs te herkennen en erop te reageren op basis van de intensiteit en frequentie van signalen met een laag vermogen, net als een biologische synaps.

De groepsleden testten het vermogen van het systeem om zowel reflexen te genereren als aanrakingen te voelen.

In één test sloten ze hun kunstmatige zenuw aan op een kakkerlakkenpoot en oefenden ze kleine stapjes druk uit op hun aanraaksensor. Het elektronische neuron zette het sensorsignaal om in digitale signalen en gaf ze door via de synaptische transistor, waardoor het been meer of minder krachtig trilt naarmate de druk op de aanraaksensor toeneemt of afneemt.

Ze toonden ook aan dat de kunstmatige zenuw verschillende aanrakingssensaties kon detecteren. In één experiment was de kunstmatige zenuw in staat om brailleletters te onderscheiden. In een andere, ze rolden een cilinder over de sensor in verschillende richtingen en detecteerden nauwkeurig de richting van de beweging.

Bao's afgestudeerde studenten Yeongin Kim en Alex Chortos, plus Wentao Xu, een onderzoeker uit Lee's eigen lab, stonden ook centraal bij de integratie van de componenten in het functionele kunstmatige sensorische zenuwstelsel.

De onderzoekers zeggen dat kunstmatige zenuwtechnologie nog in de kinderschoenen staat. Bijvoorbeeld, het creëren van kunstmatige huidbedekkingen voor prothetische apparaten zullen nieuwe apparaten nodig hebben om warmte en andere sensaties te detecteren, het vermogen om ze in flexibele circuits in te bedden en vervolgens een manier om dit alles aan de hersenen te koppelen.

De groep hoopt ook energiebesparende, kunstmatige sensornetten om robots te bedekken, het idee is om ze wendbaarder te maken door dezelfde feedback te geven die mensen van hun huid krijgen.