Nervio artificial detecta presión y mueve pata de cucaracha

(A) Cómo un nervio aferente biológico natural es estimulado por presión. (B) Un nervio aferente artificial hecho de sensores de presión, un oscilador de anillo orgánico y un transistor sináptico. (C) Una fotografía del sistema nervioso aferente artificial. REIMPRESA CON PERMISO DE Y KIM ET AL., SCIENCE 360:998 (2018) A pesar de que pueden ser hazañas de ingeniería, los dispositivos protésicos de hoy pueden ser insatisfactorio para el cerebro humano. “Si tienes una mano [y] . . . se puede controlar de una manera muy tosca, pero no da ninguna retroalimentación, entonces se convierte en una carga mental para el paciente y, por lo general, deja la prótesis en el estante después de un tiempo”. dice Henrik Jörntell, neurofisiólogo de la Universidad de Lund en Suecia.

Pero en un nuevo invento anunciado hoy (31 de mayo) en Science, Jörntell, que no participó en el trabajo, ve la posibilidad de algún día…

[M]imitar sistemas nerviosos sensoriales biológicos complicados, incluidos todos los elementos funcionales en las redes neuronales, sigue siendo un gran desafío, coautor e ingeniero Tae-Woo Lee de La Universidad Nacional de Seúl en Corea del Sur escribe en un correo electrónico a The Scientist. El nuevo sistema nervioso artificial es un paso sin precedentes en esa dirección, dice, que puede usarse potencialmente para mejorar la resolución espacial del reconocimiento de objetos. y el procesamiento de información táctil fina, como el reconocimiento de texturas, la distinción de bordes en objetos y la lectura robusta de braille.

Para construir el dispositivo, el grupo de investigación de Lees se asoció con el del ingeniero químico Zhenan Bao de la Universidad de Stanford para combinar tres componentes en una hoja plana y flexible a fe w centímetros de largo: sensores de presión hechos de polímeros orgánicos, nanotubos de carbono y electrodos de oro; osciladores de anillo que convierten la entrada de los sensores en pulsos eléctricos; y un transistor que combina la entrada de varios osciladores en anillo en una corriente eléctrica. Cuando construimos un sistema, si una parte no se comporta como se supone que debe hacerlo, todo el sistema fallará, dice Bao. La parte más desafiante fue realmente hacer que los tres componentes trabajaran juntos de manera cohesiva y poder demostrar realmente una función.

La novedad del documento radica principalmente en la integración de elementos que se han investigado previamente, pero en este caso, juntándolo todo, dice Alec Talin, un ingeniero de materiales del Laboratorio Nacional Sandia en California que no participó en el trabajo.

Si se ha conectado a un sistema biológico, en cierto sentido, podría hacer que ese sistema comprendiera entradas que normalmente nunca comprendería.

Alec Talin, Laboratorio Nacional Sandia

El equipo de investigación usó los nervios artificiales ex vivo para sentir los caracteres braille, y el dispositivo produjo salidas distintivas para cada uno. Los desarrolladores también usaron electrodos para conectar el transistor a los nervios al final de la pata desprendida de una cucaracha, induciéndola a moverse.

Todavía estamos en la etapa inicial de construcción de un sistema nervioso artificial que podría incorporarse a la piel de una prótesis, dice Bao. La piel humana puede detectar calor, puede detectar vibraciones, presión y varias formas diferentes de fuerzas. Para realmente imitar nuestra piel. . . necesitamos incorporar otros sensores y aumentar el nivel de integración que pudimos llevar a cabo, y mejorar aún más la estabilidad y confiabilidad del dispositivo.

Más adelante, dice Jrntell, el pequeño tamaño de los nervios artificiales podría ser clave a la mejora de la piel protésica, porque permitiría una mayor densidad de sensores de la que ahora es posible. Si das una retroalimentación sensorial suficientemente rica. . . luego, de repente, estas prótesis podrían volverse más interesantes para los grupos de pacientes a los que están dirigidas, dice. Chiara Bartolozzi, ingeniera del Instituto Italiano de Tecnología en Génova que no participó en el trabajo, señala que la salida del nuevo nervio artificial también es muy diferente de la de los sensores de presión disponibles comercialmente en la actualidad, que arrojan números que se correlacionan con la intensidad. en lugar de corrientes. El nervio artificial funciona más como mecanorreceptores biológicos.

Una ventaja de conectar los nervios artificiales a un sistema nervioso central biológico sería que este último podría manejar la computación necesaria para dar sentido a la salida. Los nervios artificiales también tienen el potencial de mejorar en gran medida las capacidades de detección y manipulación de objetos de la robótica, dice Bartolozzi, pero solo si se diseña un sistema computacional que pueda procesar la salida de los sensores.

Si tuviéramos que agregar para este trabajo, una arquitectura de circuito neuromórfico, como una red neuronal profunda que realmente puede aprender a traducir las diferentes señales en algún tipo de información. . . entonces creo que sería muy, muy interesante, dice Talin. Más allá de las aplicaciones a la robótica, si se ha conectado a un sistema biológico, en cierto sentido podría hacer que ese sistema comprenda entradas que normalmente nunca entendería, como dar a los humanos la capacidad de detectar la luz infrarroja.

Y. Kim et al., Un nervio aferente artificial orgánico flexible bioinspirado, Science, 360:9981003, 2018.

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