Frontier | Yapay duyusal sinirler ortaya çıkıyor: Yapay cilt braille'i tanıyabilir
Haziran 2018'de Stanford Üniversitesi'nden Profesör Zhenan Bao, Seul Üniversitesi'nden Profesör Tae-Woo Lee ve Nankai Üniversitesi'nden Profesör Wentao Xu'nun ekibi, dünyanın ilk esnek yapay dokunsal sinirinin ortak gelişimini duyuran en son araştırma sonuçlarını Science dergisinde yayınladı. Biyolojik sinirlere benzer şekilde çalışır, dokunma sürecini algılar ve diğer sinirlerle iletişim kurarak daha akıllı yapay cildi gerçeğe bir adım daha yaklaştırır.
İnsan cildi, basıncı, sıcaklığı, konumu ve diğer bilgileri algılamak için binlerce sensörün bulunduğu son derece karmaşık bir sistemdir. Bu bilgi, periferik sinirlerde ve merkezi sinirlerde adım adım iletilen sinir sinyallerine dönüştürülür. Deneyde araştırma ekibi, üç temel bileşenden oluşan insan SA-I dokunsal sinirini (kenar ve doku ile ilgili dokunsal algı için önemli bir afferent sinir) başarılı bir şekilde simüle etmek için esnek organik malzemeler kullandı: direnç Tip basınç sensörü, organik halka osilatör, sinaptik transistör.
Kağıt adresi:
Makaleye göre, bu yapay duyu siniri iyi biyouyumluluğa, esnekliğe ve yüksek hassasiyete sahip, farklı yönlerdeki hareketi algılayabilir ve hatta Braille'i tanıyabilir. Ek olarak, ekip yapay siniri organizmaya bağlamayı denedi: yapay nöronun bir elektrotunu hamamböceği bacağının nöronuna yerleştirdikten sonra, yapay nörondan gelen sinyal, hamamböceğinin bacak kasının kasılmasına neden olabilir.
Bu tür yapay dokunsal sinirin robotik cerrahi, protez dokunuş ve diğer alanlarda iyi uygulama olasılıklarına sahip olması beklenebilir Bu aynı zamanda "makine dokunsal" nın gerçekleştirilmesinde büyük bir ilerlemedir.
Üç temel bileşen
Biyolojik afferent sinir sisteminin dokunsal üretim mekanizması şudur: basınç, biyolojik bedenin mekanik uyarıcı reseptörlerine etki ederek algılama potansiyellerinde değişikliklere neden olur ve bu değişiklik nöronal eylem potansiyellerinin oluşumunu tetikler. Birden fazla nöronun aksiyon potansiyelleri, en sonunda bilgi işlemeyi gerçekleştirmek için nöronlar arasında oluşan sinapslar aracılığıyla birleşir.
Yapay afferent sinir sistemi bu sefer biyolojik aferent sinir sistemini ifade eder ve üç temel bileşenden oluşur: Dokunsal reseptörler, yapay nöronlar ve sinaptik transistörler.
Şekil "Piramit yapısı" dirençli basınç sensörü, "piramit yapı" dirençli basınç sensörünün duyarlılığı ve çalışma aralığı, biyo-deri mekanoreseptörlerininkilere eşdeğerdir.
Bunlar arasında dokunsal sensör, yapay bir nöron olarak bir halka osilatöre bağlı bir grup basınç sensöründen oluşur; basınç sinyalini algılamaktan bir dizi sensör sorumludur ve buna karşılık gelen voltaj değişikliği üretilir; bundan sonra halka osilatör voltajı değiştirecektir. Bunu bir elektrik darbesine çevirin; son olarak, sinaptik transistör elektrik darbesini çıkarır, böylece tam bir yansıma yayı oluşturur.
Esnek malzeme halka osilatörü
Yapay duyu siniri ile ilgili olarak, makalenin ilgili yazarlarından biri olan ve Nankai Üniversitesi Optoelektronik İnce Film Cihazları ve Teknolojisi Enstitüsü'nde bir profesör olan Xu Wentao, Bu sistem hala başlangıç aşamasındadır ve laboratuvardan sanayileşmeye kadar hala birçok zorluk vardır. , Üç bileşene dahil olacak.
Yapay sinaptik transistör
"Sensörler için, bu çalışmada SA-I dokunsal siniri simüle etmeye çalıştık (kenar ve doku ile ilgili dokunsal algı için önemli bir afferent sinir). İnsan cildi, çoklu sensörlerin entegrasyonu yoluyla dış dünyanın farklı derecelerini algılayabilir. Bu nedenle, sanayileşme sürecinde, daha karmaşık basınç algılama entegrasyonu gereklidir. Esnek devre kısmı nispeten karmaşıktır ve daha iyi süreç kontrolü gerektirir "dedi. "Sinaptik cihazların büyük zorlukları var. Performans düzenlemeleri, malzeme seçimi ve cihaz yapısında daha fazla deneyim gerektiriyor ve çok sayıda deneme gerektiriyor. Büyük ölçekli entegrasyonu da çok zorlu bir konu."
Üç yönlü yaklaşım: yönü hissedin, bilgileri iletin, braille'i tanıyın
2015 yılında "Science", Bao Zhenan'ın ekibinin yapay bir cilt sonucunu yayınladı. O zamanlar, ekip tarafından yapılan yapay deri basınç değişikliklerine tepki verebilir ve sinir hücrelerine sinyaller gönderebilir, bu nedenle insan cilt dokunuşunun gerçek mekanizmasına daha yakındı.
Bu kez yapay duyu sistemi, yapay derinin biyolojik bedene daha yakın bir dokunma hissi elde etmesine yardımcı olabilir.Yukarıda belirtildiği gibi, duyu sistemi yönleri algılayabilir, bilgi aktarabilir ve Braille'i tanıyabilir.
Şekil | Yapay afferent sinir sistemi, bir nesnenin hareket yönünü tanır. Çubuk şeklindeki bir nesne, farklı hareket yönlerinde (kırmızı ve mavi oklar) iki basınç sensöründen geçer. Sinaptik transistörün postsinaptik akımı, karşılık gelen hareket yönünü verir. Nesnenin hareket yönünü belirlemek için farklı dalga formları
Braille'i tanıma deneyinde, araştırmacılar, karşılık gelen 6 basınç sensöründe hareket etmek için 3X2 piksel braille karakterleri kullandılar ve sinyal dönüşümünü gerçekleştirmek için 6 karşılık gelen halka osilatör kullandılar ve sonunda birden fazla sinaptik transistör aracılığıyla sinaptik sonrası akımı elde ettiler. Braille karakterlerinin tanınmasını sağlayan dalga formu.
Postsinaptik akımın tepe frekansının özelliklerine göre, Braille karakterinin her pikseline karşılık gelebilir (Şekil B). Örneğin (Şekil C'de gösterildiği gibi), braille karakterlerinin her pikselinin ürettiği temas basıncı farklıdır ve karşılık gelen postsinaptik akımın tepe frekansı, braille karakterlerinin "okunmasını" gerçekleştirmek için karşılık gelen farklılıkları da üretecektir.
Braille okuma için yapay afferent sinir sistemi
Ancak hassas basınç hissi tek başına gerçekten ihtiyacımız olan yapay duyu sinirini yaratamaz, aynı zamanda biyolojik sinir sinyalleri ile uyumlu olmalıdır. Bu nedenle, araştırmacılar, başlangıçta bu uyumluluğu doğrulayan hareket kontrolünü sağlamak için bu siniri hamamböceğinin bacaklarına bağladılar.
Araştırmacılar, üretilen yapay duyu sinirlerini hamamböceği bacaklarının biyolojik motor sinirlerine bağladılar ve hamamböceği bacaklarının sıçrama refleks hareketini gerçekleştirmek için bunları biyolojik-elektronik hibrit refleks yayında birleştirdiler. Ekip, yapay nöronun bir elektrotunu hamamböceği bacağının nöronuna yerleştirdi. Yapay duyu sinirinden gelen sinaptik sonrası akım, belirli bir amplifikatörden sonra bir hamamböceği bacağına bağlanır. Yapay duyu siniri basınç girişi aldığında, üretilen sinyal yükseltilir. Bacağın tibial ekstansör kasının heyecanını uyandırır ve hamamböceği bacağının sekme refleksi aktive olur.
Şekil Yapay afferent sinir ile biyolojik efferent sinir arasındaki arayüz tarafından oluşturulan biyolojik-elektronik hibrit refleks arkı
"SA-I tipi dokunsal sinirlerin simülasyonu için, yanıt hızını biyolojik sisteminkine çok yakın bir aralıkta kontrol ettik. Sistemimiz için daha fazla esneklik sağlayabilir ve yanıt hızı tamamen aşabilir Biyolojik sistem. " Profesör Xu Wentao tanıtıldı.
Ayrıca güç tüketimi açısından bakıldığında, bu yapay duyusal sinirin hala iyileştirilmesi gereken çok yer olduğunu belirtti. Örneğin, yapay sinaptik transistör kısmında ekip, enerji tüketimini daha da azaltmak için çalışıyor. Şu anda, nanotel yapılarına sahip yapay sinaptik transistörlerin enerji tüketimi, biyolojik sinapslarınkine benzer bir seviyeye indirildi. (Görüntü kaynağı ağı)
