Umělý elektronický prototyp kůže, který demonstruje reakci na bolest

Kůže je největším smyslovým orgánem tvořeným miliony komplexních senzorů, které detekují teplotu, tlak a hmatové podněty. Zjištěním těchto podnětů kůže okamžitě vysílá signály do centrálního nervového systému, aby zahájila motorickou odezvu, a právě tato složitost ztěžuje napodobování technologie. Vědci z univerzity RMIT v Austrálii to nyní říkají. Prototyp elektronického zařízení, který dokáže napodobit téměř okamžitou zpětnou vazbu lidského těla a reagovat na bolestivé pocity stejně rychle jako nervové signály do mozku.

Prototypové zařízení je definováno jako „podobné“ sestávající z rozšiřitelných elektronických součástek. Obrázek s laskavým svolením RMIT University

Prototyp tlakového senzoru kombinuje rozšiřitelnou elektroniku a dlouhodobé paměťové buňky, zatímco teplotní senzor kombinuje teplotně reaktivní a paměťové povlaky. Jeden snímač bolesti kombinuje všechny tři technologie.

Transparentní a nerozbitné nositelné výrobky

Ve studii vědci popisují, jak kombinovali oxidové materiály s expandovatelnými elektronickými zařízeními obsahujícími biokompatibilní křemík a vytvořili tak transparentní, nerozbitná a přenosná elektronická zařízení. Vytvořili také teplotně citlivé povlaky, které se transformují v reakci na teplo a elektronické paměťové buňky, které napodobují způsob, jakým mozek využívá dlouhodobou paměť k vyvolání informací.

Do prototypu jsou integrovány tři různé technologie

Do prototypu byly integrovány tři různé technologie: tělo Pacini (pro tlak), termoreceptory (pro teplotu) a nociceptory (pro bolest). Obrázek s laskavým svolením RMIT University

Md Ataur Rahman, doktorský výzkumník pracující na studii, říká, že paměťové buňky v každém prototypu umělé kůže mohou vyvolat reakci, když tlak, teplo nebo bolest dosáhnou určité prahové hodnoty. “V podstatě jsme vytvořili první elektronické somatosenzory, které replikovaly základní vlastnosti komplexního systému neuronů, nervových drah a receptorů v těle,” řekl.

Umělý nociceptor pro detekci bolesti

Nejdůležitější kožní receptory souvisejí s tlakem (tělo Pacini), teplotou (termoreceptory) a bolestí (nociceptory). Všechny tyto receptory detekují a měří podněty a poté přenášejí signály do mozku a spouštějí reakce.

Koncepční rámec toho, jak biologické receptory inspirují umělé receptory. Obrázek s laskavým svolením Advanced Intelligent Systems

V této studii výzkumníci RMIT uvádějí umělé elektronické receptory, které napodobují receptory pomocí kombinace různých funkčních jednotek. Patří mezi ně: Rozhodovací memristor s nedostatkem kyslíku na bázi titaničitanu strontnatého Zlatý natahovací snímač na bázi elastomeru Teplotní spoušť na bázi oxidů, která funguje jako termoreceptor a nociceptor

Použití teploty jako stimulantu Chcete-li ve svém umělém termoreceptoru pozorovat chování alodýnie a hyperalgezie, které produkují reakce pod a nad prahovou hodnotou, jsou roztažitelný elastomerový a tlakový snímač na bázi zlata přepnuty do stavu. nízký odpor (LRS). Dále se aplikuje řada teplotních pulzních stimulů v rozmezí od 66 ° C do 82 ° C.

Charakteristiky odezvy umělých nociceptorů. Obrázek s laskavým svolením Advanced Intelligent Systems

Podle použité teploty je signál odezvy (vlevo dole na obrázku výše) zobrazen jako zapnutý při asi 68 ° C, což je teplota přechodu oxidu vanadu (VO2) používaného při spouštění teploty. Když se VO2 přepne na LRS v důsledku teplotně indukovaného přechodu, začne celým obvodem protékat vyšší proud; To je podobné prahovému chování biologického nociceptoru, který generuje mozek spouštějící akční potenciál nad jeho kritickou hodnotu stimulu. Jakékoli další zvýšení intenzity stimulu vede k většímu proudu konzistentnímu s biologickým nociceptivním neuronem. .

Co bude dál s prototypem?

Kromě prototypu snímání bolesti výzkumný tým tvrdí, že vyvinul zařízení, která používají rozšiřitelné elektronické součástky k detekci a reakci na změny tlaku a teploty. S dalším vývojem věří, že tato „roztažitelná umělá kůže“ by mohla být alternativou ke stávajícím invazivním kožním štěpům. “Potřebujeme další vývoj, abychom integrovali tuto technologii do biomedicínských aplikací, ale základy (biokompatibilita, roztažitelnost jako na kůži) již existují,” uvedl vedoucí výzkumný pracovník profesor Madhu Bhaskaran.