인체와 유사한 정보를 처리하고 의족에 촉각을 효과적으로 전달할 수 있는 인공감각신경 시스템 개발
우리 몸의 가장 큰 기관인 피부는 우리 몸 전체를 덮고 있고 체온을 조절하며 태양, 이상 온도, 세균 등의 외부 유해 요인으로부터 우리를 보호하기 때문에 가장 중요합니다. 피부는 놀라울 정도로 늘어나고 스스로 회복할 수 있습니다. 피부는 또한 우리가 결정을 내릴 수 있는 촉각을 제공하기 때문에 중요합니다. 피부는 우리에게 복잡한 감지 및 신호 시스템입니다.
에 발표 된 연구에서 과학, 스탠포드 대학교와 서울 대학교의 Zhenan Bao 교수가 이끄는 연구원들은 인조의 "인공 피부"를 만들기 위한 큰 단계가 될 수 있는 감각 신경계 보철 감각을 회복하고 정상적인 피부 덮개처럼 작용할 수 있는 사지. 이 연구의 도전적인 측면은 몇 가지 고유한 특성을 가진 피부를 효과적으로 모방하는 방법이었습니다. 가장 흉내내기 어려운 특징은 우리의 피부가 똑똑한 것처럼 행동하는 방식입니다. 감각 먼저 감각을 뇌에 전달하고 우리의 근육이 반사를 통해 반응하여 즉각적인 결정을 내리도록 명령하는 네트워크입니다. 예를 들어 탭하면 팔꿈치 근육이 늘어나고 이 근육의 센서가 뉴런을 통해 뇌에 충동을 보냅니다. 그런 다음 뉴런은 관련 시냅스에 일련의 신호를 보냅니다. 우리 몸의 시냅스 네트워크는 근육이 갑자기 늘어나는 패턴을 인식하고 동시에 두 가지 신호를 보냅니다. 한 신호는 팔꿈치 근육을 반사로 수축하게 하고 두 번째 신호는 이 감각을 알리기 위해 뇌로 전달됩니다. 이 전체 이벤트 시퀀스는 거의 XNUMX분의 XNUMX초 안에 발생합니다. 뉴런 네트워크의 모든 기능적 요소를 포함하는 이 복잡한 생물학적 감각 신경 시스템을 모방하는 것은 여전히 어려운 일입니다.
실제를 "모방"하는 독특한 감각 신경계
연구원들은 인간의 신경계가 어떻게 기능하는지를 복제할 수 있는 독특한 감각이 없는 시스템을 만들었습니다. 연구원들이 설계한 "인공 신경 회로"는 세 가지 구성 요소를 몇 센티미터 크기의 평평하고 유연한 시트에 통합합니다. 이러한 구성 요소는 이전에 개별적으로 설명되었습니다. 첫 번째 구성 요소는 터치입니다. 감지기 which can detect forces and pressure (even mini ones). This sensor (made of 유기적인 polymers, carbon nanotubes and gold electrodes) send signals through a second component, a flexible electronic neuron. Both these components are enhanced and improved versions of what was developed by same researchers before. Sensory signals generated and passed through these two components are delivered to a third component, an artificial synaptic transistor which is modelled exactly like human synapses in the brain. All these three components have to work cohesively and demonstrating the end function was the most challenging aspect. Real biological synapses relay signals and store information which is required to take decisions. This synaptic transistor “performs” these functions by delivering electronic signals to the synaptic transistor by using the artificial nerve circuit. Therefore, this artificial system learns to recognize and react to sensory inputs based upon the intensity and frequency of low-power signals, just how a biological synapse would do in a living body. The novelty of this study is how these three individual components that are known previously were integrated successfully for the first time to deliver a cohesive system.
연구원들은 반사를 생성하고 촉각을 감지하는 이 시스템의 능력을 테스트했습니다. 한 실험에서 그들은 인공 신경을 바퀴벌레 다리에 부착하고 터치 센서에 작은 압력을 가했습니다. 전자 뉴런은 센서 신호를 디지털 신호로 변환하여 시냅스 트랜지스터를 통해 전달합니다. 이로 인해 터치 센서의 압력 증가 또는 감소에 따라 바퀴벌레의 다리가 경련을 일으켰습니다. 따라서 이 인공적인 설정은 확실히 경련 반사를 활성화했습니다. 두 번째 실험에서 연구원들은 점자 문자를 구별할 수 있어 다양한 촉각을 감지하는 인공 신경의 능력을 보여주었습니다. 또 다른 테스트에서 그들은 센서 위로 실린더를 다른 방향으로 굴렸고 모션의 정확한 방향을 정확하게 감지할 수 있었습니다. 따라서 이 장치는 물체 인식 및 질감 인식, 점자 판독 및 물체의 가장자리 구별과 같은 미세한 촉각 정보 처리를 향상시킬 수 있습니다.
인공 감각 신경 시스템의 미래
이 인공 신경 기술은 매우 초기 단계에 있으며 요구되는 복잡성 수준에 도달하지 않았지만 인공 피부 덮개를 만들 수 있는 엄청난 희망을 주었습니다. 이러한 "덮개"에는 열, 진동, 압력 및 기타 힘과 감각을 감지하는 장치도 필요하다는 것이 분명합니다. 그들은 뇌와 효과적으로 인터페이스할 수 있도록 유연한 회로에 내장되는 우수한 능력을 가져야 합니다. 우리의 피부를 모방하려면 장치에 더 많은 통합과 기능이 있어야 더 안정적이고 신뢰할 수 있습니다.
이 인공 신경 기술은 보철 및 절단 환자의 감각 회복에 도움이 될 수 있습니다. 보철 장치는 더 많은 3D 프린팅 기술을 사용할 수 있고 로봇 공학 시스템에 더 반응이 빨라지면서 한 해 동안 많이 개선되었습니다. 이러한 업그레이드에도 불구하고 오늘날 사용 가능한 대부분의 인공 장치는 복잡한 인간 신경계의 통합 부족으로 인해 뇌와 만족스러운 인터페이스를 제공하지 않기 때문에 매우 거친 방식으로 제어되어야 합니다. 장치는 피드백을 제공하지 않으므로 환자는 매우 불만족스러워 조만간 폐기합니다. 이러한 인공신경 기술이 보철물에 성공적으로 통합되면 사용자에게 터치 정보를 제공하고 환자에게 더 나은 경험을 제공하는 데 도움이 될 것입니다. 이 장치는 반사 및 촉각의 힘을 부여하여 다양한 응용을 위한 피부와 같은 감각 신경망을 만들기 위한 큰 단계입니다.
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출처
Youngin K et al. 2018. 생체에서 영감을 받은 유연한 유기 인공 구심 신경. 과학. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
