Wir sind einen Schritt näher zur Schaffung künstlichen Haut mit einem Gefühl der Berührung

Modernste Prothesen sind erstaunlich, aber es fehlt ein sehr wichtiges Merkmal: ein Gefühl der Berührung. Jetzt ein Forscherteam der Universität Stanford Kunsthaut entwickelt hat, die durch Objekte ausgeübte Kraft spürt – und übertragen dann die sensorische Signale an den Gehirnzellen.

Unzureichende sensorisches Feedback ist eine ernsthafte Einschränkung der aktuellen Prothesen, seien es künstliche Hände, Arme oder Beine. Benutzer müssen in der Lage zu spüren, wie ein Objekt auf ihre Berührung reagiert, um optimale Motorsteuerung zu haben sein. Ansonsten ist es schwierig zu wissen, wie viel Kraft auf ein Objekt oder Sinn Dinge wie Temperatur und Beschaffenheit ausgeübt wird. Was mehr, der Tastsinn ist – oder sogar die Illusion davon — kann lindern Phantomschmerzen, die etwa 80 % der Amputierten betrifft.

Wir sind immer noch eine lange Wege Weg von der Möglichkeit, künstlichen Haut zu schaffen, der fühlt und reagiert die gleiche Weise, die natürliche Haut tut, aber das Stanford-Team unter der Leitung von Elektro-Ingenieur Benjamin Tee, durchgeführt vor kurzem eine Proof-of-Concept-Experiment, die uns einen wesentlichen Schritt näher bringt.

Dehnbare Haut mit flexiblen künstliche Mechanorezeptoren (Credit: Bao Research Group/Stanford University

Flexible organische Schaltungen und eine innovative neue Drucksensor verwenden, entwickelte Tee Team eine Art künstliche Haut, der die Kraft von statischen Objekten spürt. Darüber hinaus wurde diese sensorischen Daten übermittelt dann kultiviert, d.h. in Vitro, Gehirnzellen von Mäusen mit optogenetische Technologie. Sie haben die Ergebnisse ihrer Arbeit in der Fachzeitschrift Scienceveröffentlicht.

Kleine Pyramiden von Touch

Das System namens DiTact (taktile Digitalsystem), basiert auf einer Low-Power-, flexible organische Transistorschaltung, die das Gefühl von Druck in die gleiche Art von natürlich durch natürliche Hautpflege Mechanorezeptoren erzeugten Signale umwandelt. Diese Signale wurden wiederum zu einer Reihe von Spannungsimpulse umgewandelt.

Die DiTact System (Credit: Tee Et Al., 2015/Wissenschaft)

Um die Sensoren Aufzeichnen der Dynamikbereich des Drucks zu erhalten, nutzten die Forscher Kohlenstoff-Nanoröhrchen in pyramidenförmigen Strukturen geformt.

"Unser Sensor wurde von kleinen Pyramiden Gummi mit Kohlenstoff-Nanoröhren verteilt," Koautor der Studie bemerkte Alex Chortos in einer e-Mail an Gizmodo. "Diese Struktur war sehr nützlich, denn es uns erlaubt, einfach ein paar Dinge, wie der Abstand zwischen den Pyramiden, die Größe der Pyramiden und die Konzentration von Kohlenstoff-Nanoröhren um den idealen Druck sensing Merkmale in den richtigen Bereich zu ändern."

Diese Mikrostrukturen erlaubt Forschern, die Empfindlichkeit der Sensoren in einer Weise zu maximieren, die die Empfindlichkeit des natürlichen kutanen Hautrezeptoren am nächsten kommt.

Übertragung von Signalen

Auf eigene Faust tun diese Signale nichts. Damit für sie als sensorisches Feedback erfahren werden müssen sie an das Gehirn übermittelt werden. Zu diesem Zweck haben die Forscher diese Signale, die lagen zwischen 0 bis 200 Hertz und über optische Fasern, die kortikalen Neuronen von Mäusen übertragen. DiTact ist noch in einer frühen Phase der Entwicklung, so die Forscher übertragen die Signale zum kultivierten Zellen in Vitro, eher in den Gehirnen der Mäuse leben.

Die DiTact System (Credit: Tee Et Al., 2015/Wissenschaft)

Diese Technik, genannt Optogenetik, konnte schließlich live Themen verwendet werden. Durch diesen Prozess werden Nervenzellen angeregt, Feuer oder zu stoppen, ausgelöst durch genetisch-Engineering-Neuronen, die auf Licht reagieren. Ein Transgen aus Algen macht Neuronen feuern, wenn sie blaues Licht ausgesetzt sind, und eine bakterielle Transgen bewirkt, dass sie auf gelbes Licht reagieren.

Aber für dieses Experiment mussten die Forscher eine alternative optogenetische-Lösung verwenden, um die rapide entfallen auf die sensorischer Informationen von Nervenzellen verarbeitet wird.

"Biologische Mechanorezeptoren Signale schnell mehrere hundert elektrische Impulse pro Sekunde produzieren können", sagt Chortos. "Vorhergehende optogenetische Technologien waren nur in der Lage, anregende Gehirnzellen viel langsamer, als wir brauchen, um realen Mechanorezeptoren zu imitieren."

Chortos verweist auf die Arbeit von Andre Berndt und Karl Deisseroth, eine neue Art von optogenetische Behandlung, die Gehirnzellen sehr schnell stimuliert werden entwickelt, so dass sie kompatibel mit der Geschwindigkeit des realen Mechanorezeptoren sind erlaubt.

Tee-Research-Team zeigt, dass die neue optogenetische Proteine längere Intervalle der Stimulation, aufnehmen, die ein starkes Indiz dafür ist konnten, dass das System möglicherweise kompatibel mit anderen schnell spiking Neuronen – einschließlich der periphere Nerven. Das heißt, wird DiTact wahrscheinlich Arbeit in live Mäuse, und möglicherweise Menschen. Und in der Tat, sagte der Forscher Gizmodo, dass der nächste Schritt in ihrer Forschung sein wird, ihre Fühler verwenden, um den Nerv der live Mäuse zu stimulieren.

Aus Science Fiction zur Realität

Angesichts der Tatsache, dass die Signale in Klumpen von Zellen in einer Petrischale und kein lebendes Tier übertragen wurden, wie könnte sie sein Sie sicher, dass ihre Signale von der richtigen Art und Intensität waren?

"Wir konnten bestätigen, dass unser Sensor ist die richtige Informationen zu [live] Vermittlung Tier mit Verhaltensstörungen Cues, d. h. wie das Tier verhält sich als Reaktion auf Druck," sagte Chortos. "Der ultimative Test werden, befestigen den Sensor mit einem Menschen und bitten Sie sie, was sie fühlen. Um wirklich natürliche Note zu spüren zu bekommen, müssen wir ändern und optimieren unser Design."

In der Tat ist das ultimative Ziel menschlichen Prothetik mit berührungsempfindlichen künstliche Haut verleihen.

"Wir stellen unsere künstlichen Mechanorezeptoren machen den größten Einfluss über Integration für sensorisches Feedback mit prothetischen Systeme in der Entwicklung von anderen Gruppen" Co-Autor erwähnt Amanda Nguyen. "Da unser Sensor neben künstlichen Gliedmaßen Systeme montiert werden würde, sind die primären Sicherheitsbedenken Nerven Stimulation Muster und Schnittstelle im Mittelpunkt."

Nguyen sagt, dass frühe Arbeiten im Zusammenhang mit sensorisches Feedback mit Neuroprothetik beim Menschen ist viel versprechend, aber ein Bedarf für größer und aufwändiger Studien am Menschen zu verstehen besteht, wie effektiv und sicher Nerven sensorisches Feedback zu stimulieren.

"Wie ein besseres Verständnis der Stimulationsparameter gewonnen wird, die Ausgabe von unserer künstlichen Mechanoreceptor wird abgestimmt um diese Stimulation Paradigmen folgen" sagte sie. "Mit nachgewiesenen Wirksamkeit und Sicherheit, kann das Potential zur Verbesserung der Lebensqualität für Menschen mit taktilen Beeinträchtigungen mit den ethischen Bedenken Neuroprothetik ausgeglichen werden. Zugänglichkeit für diese Art von Technologie in den Menschen wird als beide wachsen wächst unser Verständnis der Neurowissenschaften und prothetische technologische Fortschritte ermöglichen differenzierte Sinneswahrnehmungen. "

Tatsächlich wird dieser Weg der Forschung sicherer und weniger ethisch fragwürdige im Laufe der Zeit geworden. In Reihenfolge für die Optogenetik, richtig und sicher in den Menschen, zu arbeiten haben beispielsweise Forscher herausfinden, ein Weg, Optogenetik, ohne Rückgriff auf invasive Fibre optic Kabel und die virale Lieferung von transgenen an Patienten zu arbeiten.

Nach Polina Anikeeva, Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik am MIT, kann es bald möglich, Stammzellen von Patienten und ihrer Empfindlichkeit gegenüber einer bestimmten Wellenlänge des Lichts durch Genmanipulation außerhalb des Körpers zu aktivieren. Sie erzählte Gizmodo, dass diese Zellen dann möglicherweise in den peripheren Nerven des Patienten so dass letztere optisch stimuliert werden wieder eingeführt werden können. Keine Kabel, keine ethisch fragwürdige Trans-Gene. Anikeeva sagt, dass es auch möglich kann neuronale Stimulation verwenden, um die Fähigkeit des Nerven regenerieren sich oder sogar intime Schnittstellen mit synthetischen Sensoren zu verbessern.

Es genügt um zu sagen, wir nicht sehen, diese Art von Technologien für Jahre, wenn nicht Jahrzehnte. Aber dank der Arbeit von Tee und seinem Team an der Stanford University, der Weg zur Erreichung dieses Ziels wird zunehmend klarer.

Lesen Sie die gesamte Studie an Wissenschaft : “ Ein Haut-inspirierte Bio digital mechanoreceptor ”.

Per e-Mail des Autors auf [email protected] und folgen ihm auf @dvorsky. Obere Bild von Bao Research Group, Stanford University