I ricercatori di Stanford e della Seoul National University hanno sviluppato un sistema nervoso sensoriale artificiale in grado di attivare il riflesso della contrazione in uno scarafaggio e identificare le lettere dell'alfabeto Braille.

Il lavoro, segnalato il 31 maggio in Scienza , è un passo verso la creazione di pelle artificiale per arti protesici, per restituire la sensazione agli amputati e, forse, un giorno darà ai robot un qualche tipo di capacità di riflesso.

"Diamo la pelle per scontata ma è una sensazione complessa, sistema di segnalazione e decisione, " disse Zhenan Bao, un professore di ingegneria chimica e uno degli autori senior. "Questo sistema nervoso sensoriale artificiale è un passo avanti verso la creazione di reti neurali sensoriali simili alla pelle per tutti i tipi di applicazioni".

Costruzioni

Questa pietra miliare fa parte della ricerca di Bao di imitare il modo in cui la pelle può allungarsi, riparare se stesso e, più straordinariamente, agire come una rete sensoriale intelligente che sa non solo trasmettere piacevoli sensazioni al cervello, ma anche quando ordinare ai muscoli di reagire in modo riflessivo per prendere decisioni tempestive.

Il nuovo articolo di Science descrive come i ricercatori hanno costruito un circuito nervoso sensoriale artificiale che potrebbe essere incorporato in un futuro rivestimento simile alla pelle per dispositivi neuroprotesici e robotica morbida. Questo rudimentale circuito di nervo artificiale integra tre componenti precedentemente descritti.

Il primo è un sensore tattile in grado di rilevare anche forze minuscole. Questo sensore invia segnali attraverso il secondo componente, un neurone elettronico flessibile. Il sensore tattile e il neurone elettronico sono versioni migliorate di invenzioni precedentemente riportate dal laboratorio Bao.

I segnali sensoriali di questi componenti stimolano il terzo componente, un transistor sinaptico artificiale modellato sulle sinapsi umane. Il transistor sinaptico è un'idea di Tae-Woo Lee della Seoul National University, che ha trascorso il suo anno sabbatico nel laboratorio di Stanford di Bao per iniziare il lavoro di collaborazione.

"Le sinapsi biologiche possono trasmettere segnali, e anche memorizzare informazioni per prendere decisioni semplici, " ha detto Lee, che era un secondo autore senior sulla carta. "Il transistor sinaptico svolge queste funzioni nel circuito del nervo artificiale".

Lee ha usato un riflesso del ginocchio come esempio di come i circuiti nervosi artificiali più avanzati potrebbero un giorno far parte di una pelle artificiale che darebbe a dispositivi protesici o robot sia i sensi che i riflessi.

Negli umani, quando un colpetto improvviso provoca l'allungamento dei muscoli del ginocchio, alcuni sensori in quei muscoli inviano un impulso attraverso un neurone. Il neurone a sua volta invia una serie di segnali alle sinapsi interessate. La rete sinaptica riconosce lo schema dell'allungamento improvviso ed emette due segnali contemporaneamente, uno che fa contrarre i muscoli del ginocchio in modo riflessivo e un secondo, segnale meno urgente per registrare la sensazione nel cervello.

Far funzionare

Il nuovo lavoro ha una lunga strada da percorrere prima di raggiungere quel livello di complessità. Ma nell'articolo di Science, il gruppo descrive come il neurone elettronico ha inviato segnali al transistor sinaptico, che è stato progettato in modo tale da imparare a riconoscere e reagire agli input sensoriali in base all'intensità e alla frequenza dei segnali a bassa potenza, proprio come una sinapsi biologica.

I membri del gruppo hanno testato la capacità del sistema di generare riflessi e di percepire il tatto.

In un test hanno collegato il loro nervo artificiale a una zampa di scarafaggio e hanno applicato piccoli incrementi di pressione al loro sensore tattile. Il neurone elettronico ha convertito il segnale del sensore in segnali digitali e li ha trasmessi attraverso il transistor sinaptico, provocando una contrazione della gamba più o meno vigorosa all'aumentare o diminuire della pressione sul sensore tattile.

Hanno anche dimostrato che il nervo artificiale può rilevare varie sensazioni tattili. In un esperimento il nervo artificiale è stato in grado di differenziare le lettere Braille. In un altro, hanno fatto rotolare un cilindro sul sensore in direzioni diverse e hanno rilevato con precisione la direzione del movimento.

Gli studenti laureati di Bao, Yeongin Kim e Alex Chortos, più Wentao Xu, un ricercatore del laboratorio di Lee, erano anche fondamentali per l'integrazione dei componenti nel sistema nervoso sensoriale artificiale funzionale.

I ricercatori affermano che la tecnologia dei nervi artificiali è ancora agli inizi. Ad esempio, la creazione di rivestimenti in pelle artificiale per dispositivi protesici richiederà nuovi dispositivi per rilevare il calore e altre sensazioni, la capacità di incorporarli in circuiti flessibili e quindi un modo per interfacciare tutto questo con il cervello.

Il gruppo spera anche di creare bassa potenza, reti di sensori artificiali per coprire i robot, l'idea è di renderli più agili fornendo alcuni degli stessi feedback che gli umani traggono dalla loro pelle.