Kami Lebih Dekat Satu Langkah untuk Menciptakan Kulit Buatan Dengan Rasa Sentuh

George Dvorsky 10/14/2017. 11 comments
Futurism Assistive Devices Prosthetics Artificial Skin Biotechnology Biology Science Neuroscience

Prostipting cutting-edge luar biasa, tapi kekurangan satu fitur yang sangat penting: rasa sentuhan. Kini sebuah tim peneliti dari Stanford University telah mengembangkan kulit buatan yang dapat merasakan dorongan yang diberikan oleh benda-benda dan kemudian mengirimkan sinyal sensorik tersebut ke sel otak.

Umpan balik sensoris yang tidak adekuat adalah pembatasan serius tungkai kaki palsu saat ini, entah itu buatan tangan, lengan, atau tungkai. Pengguna harus bisa merasakan bagaimana sebuah benda merespon sentuhan mereka agar memiliki kontrol motor yang optimal. Jika tidak, sulit untuk mengetahui berapa banyak kekuatan yang diberikan pada benda, atau merasakan hal-hal seperti suhu dan tekstur. Terlebih lagi, rasa sentuhan - atau bahkan ilusi darinya - dapat mengurangi rasa sakit anggota badan hantu, yang mempengaruhi sekitar 80% orang yang diamputasi.

Kami masih jauh dari mampu menciptakan kulit buatan yang terasa dan bereaksi dengan cara yang sama seperti kulit alami, namun tim Stanford, yang dipimpin oleh insinyur listrik Benjamin Tee , baru-baru ini melakukan eksperimen proof-of-concept yang mengambil kita selangkah lebih dekat.

Kompatibel dengan mekanik mekanik buatan yang fleksibel (Kredit: Bao Research Group / Stanford University

Dengan menggunakan sirkuit organik yang fleksibel dan sensor tekanan baru yang inovatif, tim Tee mengembangkan semacam kulit buatan yang dapat merasakan kekuatan benda statis. Terlebih lagi, data sensorik ini kemudian ditransmisikan ke biakan, yaitu in vitro , sel otak tikus yang menggunakan teknologi optogenetik. Mereka telah mempublikasikan hasil karyanya di jurnal Science .

Tiny Pyramids of Touch

Sistem yang disebut DiTact (Digital Tactile System), didasarkan pada rangkaian transistor organik berdaya rendah dan fleksibel yang mengubah perasaan tekanan ke dalam jenis sinyal yang sama yang dihasilkan secara alami oleh para mekanik mekanik alami. Sinyal ini kemudian diubah menjadi serangkaian pulsa voltase.

Sistem DiTact (Kredit: Tee dkk, 2015 / Sains)

Untuk mendapatkan sensor untuk merekam rentang tekanan dinamis yang lebar, para peneliti menggunakan nanotube karbon yang dibentuk menjadi struktur piramida.

"Sensor kami terbuat dari piramida kecil karet dengan nanotube karbon yang didistribusikan di dalamnya," kata rekan penulis studi Alex Chortos dalam sebuah email kepada Gizmodo. "Struktur ini sangat berguna karena memungkinkan kita untuk dengan mudah mengubah beberapa hal, seperti jarak antara piramida, ukuran piramida, dan konsentrasi nanotube karbon untuk mendapatkan karakteristik penginderaan tekanan yang ideal pada rentang yang tepat. "

Mikrostruktur ini memungkinkan peneliti memaksimalkan sensitivitas sensor dengan cara yang mendekati sensitivitas reseptor kutaneous kulit alami.

Transferring Signals

Dengan sendirinya, sinyal ini tidak melakukan apa-apa. Agar mereka bisa berpengalaman sebagai umpan balik sensorik, mereka harus dikirim ke otak. Untuk itu, para peneliti mengambil sinyal ini, yang berkisar antara 0 sampai 200 hertz, dan mentransmisikannya melalui serat optik ke neuron korteks tikus. DiTact masih dalam tahap awal pengembangan, sehingga para peneliti mentransmisikan sinyal ke sel kultur in vitro , melainkan ke otak tikus hidup.

Sistem DiTact (Kredit: Tee dkk, 2015 / Sains)

Teknik ini, yang disebut optogenetics, pada akhirnya bisa digunakan pada subyek hidup. Melalui proses ini, neuron dirangsang untuk menembakkan atau menghentikan penembakan oleh neuron rekayasa genetika yang merespons cahaya. Transgen dari alga membuat neuron menyala saat terkena sinar biru, dan transgen bakteri menyebabkan mereka merespons cahaya kuning.

Tapi untuk percobaan ini, para periset harus menggunakan solusi optogenetik alternatif untuk memperhitungkan laju cepat dimana informasi sensorik diproses oleh neuron.

"Insinyur biologis mampu menghasilkan sinyal secepat beberapa ratus pulsa listrik per detik," kata Chortos. "Teknologi optogenetik sebelumnya hanya mampu menstimulasi sel-sel otak jauh lebih lambat daripada yang kita butuhkan untuk meniru para mekanik yang sebenarnya."

Chortos menunjuk pada karya Andre Berndt dan Karl Deisseroth yang mengembangkan jenis pengobatan optogenetik baru yang memungkinkan sel otak dirangsang dengan sangat cepat sehingga sesuai dengan kecepatan mekanik sejati.

Tim peneliti Tee menunjukkan bahwa protein optogenetik baru mampu mengakomodasi rangsangan stimulasi yang lebih lama, yang merupakan indikasi kuat bahwa sistem tersebut mungkin kompatibel dengan neuron cepat-spiking lainnya - termasuk saraf perifer. Dengan kata lain, DiTact kemungkinan akan bekerja pada tikus hidup, dan mungkin juga manusia. Dan memang, para periset mengatakan kepada Gizmodo bahwa langkah selanjutnya dalam penelitian mereka adalah menggunakan sensor mereka untuk merangsang saraf tikus hidup.

From Science Fiction to Reality
From Science Fiction to Reality

Mengingat bahwa sinyal tersebut ditransmisikan ke rumpun sel dalam cawan petri dan bukan hewan hidup, bagaimana mereka bisa memastikan sinyalnya benar dan intensitasnya?

"Kami bisa memvalidasi bahwa sensor kami menyampaikan informasi yang benar kepada binatang [hidup] dengan menggunakan isyarat perilaku, yaitu bagaimana hewan berperilaku sebagai respons terhadap tekanan," kata Chortos. "Tes terakhir adalah melampirkan sensor ke manusia dan bertanya kepada mereka apa yang mereka rasakan. Agar mendapatkan sensasi sentuhan alami yang sesungguhnya, kita mungkin perlu memodifikasi dan men-tweak desain kita. "

Memang, tujuan utamanya adalah untuk mengilhami prostetik manusia dengan kulit buatan sensitif sentuhan.

"Kami membayangkan para ahli mekanik buatan kami membuat dampak terbesar melalui integrasi umpan balik sensorik dengan sistem prostetik dalam pengembangan oleh kelompok lain," kata rekan penulis Amanda Nguyen. "Karena sensor kami akan dipasang di samping sistem ekstremitas buatan, masalah keamanan primer berpusat pada pola dan antarmuka stimulasi saraf."

Nguyen mengatakan bahwa karya awal yang melibatkan umpan balik sensorik dengan neuroprostetis pada manusia telah menjanjikan, namun ada kebutuhan untuk studi manusia yang lebih besar dan lebih terlibat untuk memahami bagaimana cara merangsang umpan saraf secara efektif dan aman.

"Sebagai pemahaman yang lebih besar tentang parameter stimulasi diperoleh, output dari mechanoreceptor buatan kami akan disesuaikan mengikuti paradigma stimulasi ini," katanya. "Dengan kemanjuran dan keamanan yang ditunjukkan, potensi peningkatan kualitas hidup bagi individu dengan gangguan taktil dapat diimbangi dengan masalah etika yang diangkat oleh neuroprostetis. Aksesibilitas teknologi jenis ini pada manusia akan tumbuh karena pemahaman kita tentang ilmu saraf berkembang dan kemajuan teknologi palsu untuk memberikan persepsi sensoris yang bernuansa. "

Memang, jalan penelitian ini akan menjadi lebih aman dan kurang meragukan secara etis dari waktu ke waktu. Agar optogenetik bekerja dengan baik dan aman pada manusia, misalnya, periset harus mencari cara untuk mendapatkan optogenetika agar bekerja tanpa menggunakan kabel serat optik invasif dan pengiriman virus transgen ke pasien.

Menurut Polina Anikeeva, seorang profesor Ilmu dan Teknik Material di MIT, mungkin akan segera memungkinkan untuk menggunakan sel induk dari pasien dan memungkinkan kepekaan mereka terhadap panjang gelombang cahaya tertentu melalui manipulasi genetik di luar tubuh. Dia mengatakan kepada Gizmodo bahwa sel-sel ini kemudian berpotensi dimasukkan kembali ke dalam saraf perifer pasien yang memungkinkan rangsangannya terstimulasi secara optik. Tidak ada kabel, tidak ada trans gen yang meragukan secara etis. Anikeeva mengatakan bahwa mungkin juga menggunakan stimulasi saraf untuk meningkatkan kemampuan saraf untuk menumbuhkan diri atau bahkan membentuk antarmuka intim dengan sensor sintetis.

Cukuplah untuk mengatakan, kita tidak akan melihat teknologi semacam ini selama bertahun-tahun, jika tidak berpuluh-puluh tahun. Namun berkat kerja Tee dan timnya di Stanford, jalan untuk mencapai tujuan ini semakin jernih.

Baca keseluruhan studi di Science : " Mekanis digital digital terinspirasi kulit ".


Kirimkan email ke penulis di george@gizmodo.com dan ikuti dia di @dvorsky . Gambar teratas oleh Bao Research Group, Universitas Stanford

HighResolutionMusic.com - Download Hi-Res Songs

11 Comments

synthozoic
Menebrio
Keyan Reid
FM
Hotscot
Admiral Asskicker

Suggested posts

Other George Dvorsky's posts

Language