New artificial nerves could transform prosthetics / Nuovi nervi artificiali potrebbero trasformare le protesi

New artificial nerves could transform prostheticsNuovi nervi artificiali potrebbero trasformare le protesi


Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa




“It’s a pretty nice advance,” says Robert Shepherd, an organic electronics expert at Cornell University. Not only are the soft, flexible, organic materials used to make the artificial nerve ideal for integrating with pliable human tissue, but they are also relatively cheap to manufacture in large arrays, Shepherd says.
Modern prosthetics are already impressive: Some allow amputees to control arm movement with just their thoughts; others have pressure sensors in the fingertips that help wearers control their grip without the need to constantly monitor progress with their eyes. But our natural sense of touch is far more complex, integrating thousands of sensors that track different types of pressure, such as soft and forceful touch, along with the ability to sense heat and changes in position. This vast amount of information is ferried by a network that passes signals through local clusters of nerves to the spinal cord and ultimately the brain. Only when the signals combine to become strong enough do they make it up the next link in the chain.
Now, researchers led by chemist Zhenan Bao at Stanford University in Palo Alto, California, have constructed an artificial sensory nerve that works in much the same way. Made of flexible organic components, the nerve consists of three parts. First, a series of dozens of sensors pick up on pressure cues. Pressing on one of these sensors causes an increase in voltage between two electrodes. This change is then picked up by a second device called a ring oscillator, which converts voltage changes into a string of electrical pulses. These pulses, and those from other pressure sensor/ring oscillator combos, are fed into a third device called a synaptic transistor, which sends out a series of electrical pulses in patterns that match those produced by biological neurons.
Bao and her colleagues used their setup to detect the motion of a small rod moving in different directions across their pressure sensors, as well as identify Braille characters. What’s more, they managed to connect their artificial neuron to a biological counterpart. The researchers detached a leg from a cockroach and inserted an electrode from the artificial neuron to a neuron in the roach leg; signals coming from the artificial neuron caused muscles in the leg to contract, they report today in Science.
Because organic electronics like this are inexpensive to make, the approach should allow scientists to integrate large numbers of artificial nerves that could pick up on multiple types of sensory information, Shepherd says. Such a system could provide far more sensory information to future prosthetics wearers, helping them better control their new appendages. It could also give future robots a greater ability to interact with their ever-changing environments—something vital for performing complex tasks, such as caring for the elderly.
ITALIANO
Le protesi potrebbero presto assumere un aspetto completamente nuovo. Questo perché i ricercatori hanno creato un nuovo tipo di nervo artificiale in grado di percepire il tatto, elaborare le informazioni e comunicare con altri nervi proprio come fanno i nostri corpi. Le versioni future potrebbero aggiungere sensori per tenere traccia dei cambiamenti nella struttura, posizione e diversi tipi di pressione, portando a miglioramenti potenzialmente drammatici su come le persone con arti artificiali - e un giorno robot - percepiscono e interagiscono con i loro ambienti.
"È un progresso piuttosto bello", afferma Robert Shepherd, un esperto di elettronica organica alla Cornell University. Non solo i materiali morbidi, flessibili e organici utilizzati per rendere il nervo artificiale ideale per l'integrazione con il tessuto umano flessibile, ma sono anche relativamente economici da produrre in grandi matrici, afferma Shepherd.
Le protesi moderne sono già impressionanti: alcune permettono agli amputati di controllare il movimento del braccio solo con i loro pensieri; altri hanno sensori di pressione sulla punta delle dita che aiutano gli utenti a controllare la presa senza la necessità di monitorare costantemente i progressi con gli occhi. Ma il nostro naturale senso del tatto è molto più complesso, integrando migliaia di sensori che tracciano diversi tipi di pressione, come un tocco morbido e forte, insieme alla capacità di percepire il calore e i cambiamenti di posizione. Questa enorme quantità di informazioni è trasportata da una rete che trasmette segnali attraverso gruppi locali di nervi al midollo spinale e, in definitiva, al cervello. Solo quando i segnali si combinano per diventare abbastanza forti fanno il prossimo collegamento nella catena.
Ora, i ricercatori guidati dal chimico Zhenan Bao alla Stanford University di Palo Alto, in California, hanno costruito un nervo sensoriale artificiale che funziona allo stesso modo. Fatto di componenti organici flessibili, il nervo è costituito da tre parti. Innanzitutto, una serie di dozzine di sensori raccolgono segnali di pressione. Premendo su uno di questi sensori si provoca un aumento di tensione tra due elettrodi. Questo cambiamento viene quindi rilevato da un secondo dispositivo chiamato oscillatore ad anello, che converte le variazioni di tensione in una stringa di impulsi elettrici. Questi impulsi, e quelli provenienti da altre combinazioni di sensori di pressione / oscillatore ad anello, sono alimentati in un terzo dispositivo chiamato transistor sinaptico, che invia una serie di impulsi elettrici in schemi che corrispondono a quelli prodotti dai neuroni biologici.
Bao ed i suoi colleghi hanno usato il loro setup per rilevare il movimento di una piccola asta che si muove in direzioni diverse attraverso i loro sensori di pressione, oltre a identificare i caratteri Braille. Inoltre, sono riusciti a collegare il loro neurone artificiale a una controparte biologica. I ricercatori staccarono una gamba da uno scarafaggio e inserirono un elettrodo dal neurone artificiale a un neurone nella gamba del triotto; i segnali provenienti dal neurone artificiale facevano contrarre i muscoli della gamba, riportano oggi in Science.
Poiché l'elettronica organica come questa è poco costosa da realizzare, l'approccio dovrebbe consentire agli scienziati di integrare un gran numero di nervi artificiali che potrebbero raccogliere diversi tipi di informazioni sensoriali, afferma Shepherd. Un tale sistema potrebbe fornire molte più informazioni sensoriali ai futuri portatori di protesi, aiutandoli a controllare meglio le loro nuove appendici. Potrebbe anche dare ai robot del futuro una maggiore capacità di interagire con i loro ambienti in continua evoluzione, una cosa fondamentale per svolgere compiti complessi, come la cura degli anziani.
Da:
http://www.sciencemag.org/news/2018/05/new-artificial-nerves-could-transform-prosthetics?utm_campaign=news_daily_2018-05-31&et_rid=344224141&et_cid=2086911


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