Proboj u biotehnologiji – Roboti će osjetiti bol, a rane će same zacjeljivati

Kroz naša tijela nalaze se bezbrojni sitni senzori poznati u medicini kao nociceptori ili receptori za bol. Njihov je posao otkriti potencijalne izvore ozljede i brzo poslati signale upozorenja mozgu i leđnoj moždini, štiteći nas od oštećenja tkiva. Desetljećima znanstvenici pokušavaju replicirati taj biološki instinkt u elektroničkim uređajima.

Nedavno je istraživački tim sa Sveučilišta Northeast Normal u Kini ostvario značajan proboj u ovom području. Kako je izvijestila Sanjukta Mondal, tim je dizajnirao želatinozni umjetni neuronski put za osjet boli. U središtu uređaja nalazi se sitna elektronička komponenta koja se naziva memristor. Memristor ne samo da upravlja protokom električne struje nego može i pamtiti količinu naboja koja je prošla kroz njega.

U prošlosti su znanstvenici pokušavali izgraditi umjetne senzore boli koristeći konvencionalnu poluvodičku tehnologiju, ali su sklopovi bili iznimno složeni i glomazni, što je otežavalo reproduciranje suptilnih stupnjevanja ljudske boli. Pojava memristora promijenila je sliku. Iskorištavanjem fenomena kvantizirane vodljivosti unutar memristora, istraživači su omogućili da električna struja teče u diskretnim, stepenastim razinama umjesto kao gladak, kontinuiran tok. Ovo svojstvo omogućuje umjetnom senzoru da nadilazi jednostavan uključeno isključeno odgovor i umjesto toga razlikuje četiri različite razine boli koje odražavaju ljudsku ljestvicu boli bez boli, blaga bol, umjerena bol i jaka bol.

Kako bi postigli ovo precizno osjetilo, istraživači su koristili želatinske filmove dviju različitih koncentracija. Želatinski film od 10 wt.% korišten je u senzoru tlaka, dok je želatinski film od 1 wt.% korišten u memristoru. Spajanjem ove dvije komponente u seriju stvoren je umjetni živac. U testovima, kada je primijenjen mehanički tlak u rasponu od 9 do 45 kPa, sustav je točno detektirao četiri različita stanja, od bez boli do intenzivne boli.

Još jedna izvanredna značajka ovog biomimetičkog senzora jest njegova sposobnost samoobnavljanja. U eksperimentima su istraživači zarezali ranu širine do 50.7 µm u želatinski senzor. Zatim su primijenili toplinu na 60°C tijekom 20 minuta. Rezultati su pokazali da je nakon toplinske obrade rana u potpunosti nestala i da se električna vodljivost materijala vratila u izvorno stanje. Ova sposobnost samopopravka ključna je za razvoj fleksibilnih elektroničkih uređaja namijenjenih dugotrajnoj uporabi.

Kako bi pokazao praktičnu održivost, istraživački tim također je povezao umjetni senzor boli s ishijadičnim živcem anesteziranih miševa. Kada je senzor bio izložen stimulaciji tlakom, prenosio je električne signale koji su izravno potaknuli kontrakciju mišića kod miševa, uspješno simulirajući prirodni refleks izbjegavanja boli koji se nalazi u živim organizmima.

Objavljena od strane Xuanyu Shan i suradnika u časopisu Advanced Functional Materials, ova studija otvara nove granice za neuronske proteze i intuitivnu interakciju čovjek stroj.

Ovaj novi želatinozni materijal ima potencijal preoblikovati sučelja čovjek stroj i podržati rehabilitacijske tehnologije nakon ozljede. Kako su tijekom recenzije primijetili Gaby Clark i Robert Egan, simuliranje percepcije boli nije samo stvar toga da se strojevima omogući da osjećaju bol već se radi o opremanju budućih inteligentnih sustava realističnijim osjetilnim sposobnostima i snažnijim mehanizmima samozaštite.