นักวิจัยได้พัฒนาระบบประสาทรับความรู้สึกเทียมซึ่งสามารถประมวลผลข้อมูลที่คล้ายกับร่างกายมนุษย์และสามารถสัมผัสแขนขาเทียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ผิวของเราซึ่งเป็นอวัยวะที่ใหญ่ที่สุดของร่างกายก็มีความสำคัญมากที่สุดเช่นกันเพราะครอบคลุมทั้งร่างกาย ควบคุมอุณหภูมิร่างกาย และปกป้องเราจากปัจจัยภายนอกที่เป็นอันตราย เช่น แสงแดด อุณหภูมิผิดปกติ เชื้อโรค เป็นต้น ผิวของเราสามารถยืดขยายและสามารถซ่อมแซมตัวเองได้อย่างเห็นได้ชัด ผิวก็มีความสำคัญเช่นกันเพราะมันทำให้เราสัมผัสได้ซึ่งเราสามารถตัดสินใจได้ ผิวหนังเป็นระบบสัมผัสและส่งสัญญาณที่ซับซ้อนสำหรับเรา
ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ใน วิทยาศาสตร์นักวิจัยนำโดยศาสตราจารย์ Zhenan Bao จาก Stanford University และ Seoul National University ได้พัฒนา an เทียม ระบบประสาทสัมผัสที่อาจเป็นก้าวสำคัญสู่การสร้าง “ผิวหนังเทียม” ให้กับ ขาเทียม แขนขาซึ่งสามารถฟื้นฟูความรู้สึกและทำหน้าที่เหมือนการปกปิดผิวหนังปกติ แง่มุมที่ท้าทายของการศึกษานี้คือวิธีการเลียนแบบผิวของเราอย่างมีประสิทธิภาพซึ่งมีคุณสมบัติพิเศษหลายประการ ลักษณะที่เลียนแบบยากที่สุดคือลักษณะที่ผิวของเราทำตัวเหมือนคนฉลาด ประสาทสัมผัส เครือข่ายซึ่งส่งความรู้สึกไปยังสมองในตอนแรกและสั่งให้กล้ามเนื้อของเราตอบสนองผ่านการสะท้อนกลับเพื่อตัดสินใจในทันที ตัวอย่างเช่น การแตะจะทำให้กล้ามเนื้อข้อศอกยืด และเซ็นเซอร์ในกล้ามเนื้อเหล่านี้ส่งแรงกระตุ้นไปยังสมองผ่านเซลล์ประสาท จากนั้นเซลล์ประสาทจะส่งสัญญาณหลายชุดไปยังไซแนปส์ที่เกี่ยวข้อง เครือข่าย synaptic ในร่างกายของเรารับรู้ถึงรูปแบบของการยืดกล้ามเนื้ออย่างกะทันหันและส่งสัญญาณสองสัญญาณพร้อมกัน สัญญาณหนึ่งทำให้กล้ามเนื้อข้อศอกหดตัวเป็นปฏิกิริยาสะท้อนกลับ และสัญญาณที่สองส่งไปยังสมองเพื่อรับรู้ถึงความรู้สึกนี้ ลำดับเหตุการณ์ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นในเกือบเสี้ยววินาที การเลียนแบบระบบประสาทรับความรู้สึกทางชีววิทยาที่ซับซ้อนนี้ รวมถึงองค์ประกอบการทำงานทั้งหมดในเครือข่ายของเซลล์ประสาทยังคงเป็นเรื่องที่ท้าทาย
ระบบประสาทรับความรู้สึกที่ไม่เหมือนใครซึ่ง “เลียนแบบ” ของจริง
นักวิจัยได้สร้างระบบรับความรู้สึกที่ไม่เหมือนใครซึ่งสามารถจำลองการทำงานของระบบประสาทของมนุษย์ได้ "วงจรประสาทเทียม" ที่ออกแบบโดยนักวิจัยได้รวมส่วนประกอบสามส่วนไว้ในแผ่นเรียบและยืดหยุ่นได้ โดยวัดได้ไม่กี่เซนติเมตร ส่วนประกอบเหล่านี้ได้รับการอธิบายไว้ก่อนหน้านี้แล้ว องค์ประกอบแรกคือสัมผัส เซ็นเซอร์ ซึ่งสามารถตรวจจับแรงและแรงกดได้ (แม้แต่แรงกดขนาดเล็ก) เซ็นเซอร์นี้ (ทำจาก อินทรีย์ ท่อนาโนคาร์บอน และอิเล็กโทรดทองคำ) จะส่งสัญญาณผ่านส่วนประกอบที่สอง ซึ่งก็คือเซลล์ประสาทอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความยืดหยุ่น ส่วนประกอบทั้งสองนี้ได้รับการปรับปรุงและปรับปรุงจากสิ่งที่นักวิจัยคนเดียวกันเคยพัฒนาขึ้นมาก่อน สัญญาณทางประสาทสัมผัสที่สร้างขึ้นและส่งผ่านองค์ประกอบทั้งสองนี้จะถูกส่งไปยังองค์ประกอบที่สาม ซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์ซินแนปติกเทียมซึ่งมีแบบจำลองเหมือนกับไซแนปส์ของมนุษย์ในสมอง องค์ประกอบทั้งสามนี้ต้องทำงานร่วมกันและการสาธิตฟังก์ชันสุดท้ายถือเป็นส่วนที่ท้าทายที่สุด ไซแนปส์ทางชีววิทยาที่แท้จริงจะถ่ายทอดสัญญาณและจัดเก็บข้อมูลซึ่งจำเป็นต่อการตัดสินใจ ทรานซิสเตอร์ซินแนปติกนี้ "ทำหน้าที่" ฟังก์ชันเหล่านี้โดยการส่งสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ไปยังทรานซิสเตอร์ซินแนปติกโดยใช้วงจรประสาทเทียม ดังนั้น ระบบประดิษฐ์นี้จึงเรียนรู้ที่จะจดจำและตอบสนองต่อการรับความรู้สึกโดยอิงตามความเข้มและความถี่ของสัญญาณพลังงานต่ำ เช่นเดียวกับที่ไซแนปส์ทางชีวภาพจะเกิดขึ้นในร่างกายที่มีชีวิต ความแปลกใหม่ของการศึกษาครั้งนี้คือการที่องค์ประกอบทั้งสามนี้ซึ่งรู้จักกันก่อนหน้านี้ถูกรวมเข้าด้วยกันได้สำเร็จเป็นครั้งแรกเพื่อส่งมอบระบบที่เหนียวแน่น
นักวิจัยได้ทดสอบความสามารถของระบบนี้ในการสร้างปฏิกิริยาตอบสนองและสัมผัสด้วยความรู้สึก ในการทดลองหนึ่ง พวกเขาแนบเส้นประสาทเทียมกับขาแมลงสาบ และใช้แรงกดเพียงเล็กน้อยกับเซ็นเซอร์สัมผัส เซลล์ประสาทอิเล็กทรอนิกส์แปลงสัญญาณเซ็นเซอร์เป็นสัญญาณดิจิตอลและส่งผ่านผ่านทรานซิสเตอร์ synaptic ทำให้ขาของแมลงสาบกระตุกตามแรงกดที่เพิ่มขึ้นหรือลดลงในเซ็นเซอร์สัมผัส ดังนั้นการตั้งค่าประดิษฐ์นี้จึงเปิดใช้งานการสะท้อนกลับการกระตุกอย่างแน่นอน ในการทดลองครั้งที่สอง นักวิจัยได้แสดงความสามารถของเส้นประสาทเทียมในการตรวจจับความรู้สึกสัมผัสต่างๆ โดยสามารถแยกแยะอักษรเบรลล์ได้ ในการทดสอบอื่น พวกเขาหมุนกระบอกสูบเหนือเซ็นเซอร์ไปในทิศทางต่างๆ และสามารถตรวจจับทิศทางการเคลื่อนที่ได้อย่างแม่นยำ ดังนั้น อุปกรณ์นี้สามารถปรับปรุงการจดจำวัตถุและการประมวลผลข้อมูลสัมผัสที่ดี เช่น การจดจำพื้นผิว การอ่านอักษรเบรลล์ และการแยกขอบของวัตถุ
อนาคตของระบบประสาทสัมผัสเทียม
เทคโนโลยีประสาทเทียมนี้อยู่ในขั้นเริ่มต้นและยังไม่ถึงระดับความซับซ้อนที่ต้องการ แต่ให้ความหวังอันยิ่งใหญ่ในการสร้างสิ่งปกคลุมผิวหนังเทียม เป็นที่ชัดเจนว่า “สิ่งปิดบัง” ดังกล่าวจะต้องใช้อุปกรณ์ตรวจจับความร้อน การสั่นสะเทือน แรงกด ตลอดจนแรงและความรู้สึกอื่นๆ ด้วย พวกเขาต้องมีความสามารถที่ดีในการฝังตัวในวงจรที่ยืดหยุ่นเพื่อให้สามารถเชื่อมต่อกับสมองได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อเลียนแบบผิวของเรา อุปกรณ์จำเป็นต้องมีการบูรณาการและการทำงานที่มากขึ้นซึ่งจะทำให้มีความเสถียรและเชื่อถือได้มากขึ้น
เทคโนโลยีประสาทเทียมนี้อาจเป็นประโยชน์สำหรับการทำเทียมและฟื้นฟูความรู้สึกในผู้พิการทางสมอง อุปกรณ์เทียมได้รับการปรับปรุงอย่างมากในช่วงหลายปีที่ผ่านมา โดยมีเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่พร้อมใช้งานมากขึ้น และระบบหุ่นยนต์ที่ตอบสนองมากขึ้น แม้จะมีการอัพเกรดเหล่านี้ แต่อุปกรณ์เทียมส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในปัจจุบันต้องได้รับการควบคุมอย่างคร่าวๆ เนื่องจากไม่ได้ให้ส่วนติดต่อที่น่าพอใจกับสมองเนื่องจากขาดการประสานกันของความซับซ้อนของระบบประสาทที่กว้างใหญ่ของมนุษย์ อุปกรณ์ไม่ตอบกลับ จึงทำให้ผู้ป่วยรู้สึกไม่พอใจอย่างมาก และทิ้งพวกเขาไม่ช้าก็เร็ว เทคโนโลยีเส้นประสาทเทียมดังกล่าวเมื่อรวมเข้ากับเทียมจะส่งข้อมูลการสัมผัสสำหรับผู้ใช้และจะช่วยให้ผู้ป่วยได้รับประสบการณ์ที่ดีขึ้น อุปกรณ์นี้เป็นก้าวย่างสำคัญในการสร้างโครงข่ายประสาทสัมผัสคล้ายผิวหนังสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย โดยให้พลังของการสะท้อนกลับและประสาทสัมผัส
***
แหล่งที่มา (s)
Yeongin K และคณะ พ.ศ. 2018 เส้นประสาทอวัยวะเทียมออร์แกนิกที่มีความยืดหยุ่นทางชีวภาพ วิทยาศาสตร์. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
***
