Hiç tek bacağı veya tek kolu olan biriyle tanıştınız mı? Yalnızca Amerika Birleşik Devletleri’nde, her yıl tahminen 185.000 kişi, esas olarak damar hastalığı nedeniyle amputasyona uğramaktadır. Tıbbi cihazlardaki gelişmeler sayesinde, kaybedilen uzuvların bazı fonksiyonları yapay kol, bacak veya protezler kullanılarak restore edilebilmektedir. Protez bacaklı kişiler rahatlıkla yürüyebilir, koşabilir ve dans edebilir ve protez eli olan kişiler parmağını iyi kavrayarak koordineli bir şekilde kontrol edebilirler.
Bununla birlikte, mevcut protezler, doğal uzuvların önemli bir yönünden, yani insan derisinin dokunma duyularından yoksundur. Stanford Üniversitesi ve Seul Ulusal Üniversitesi’nden bilim adamları yapay bir sinir geliştirdiler. Bu yapay sinir, dokunulduğunda hissedebilir ve biyolojik kasları kontrol etmek için sinyal iletir. Protez uzuvları olan kişiler için bu gelişme, kayıp bir dokunma hissini veya engelli bir uzvun kontrolünü yeniden kazanabilecekleri anlamına gelir.
İçindekiler
biyolojik duyu sinirleri
Duyusal sinirler dış dünyadan omuriliğe ve beyne bilgi taşır. Özellikle dokunma duyusunu algılama yeteneği deride yer alan mekanoreseptör adı verilen bir tür duyu siniri tarafından sağlanır. Cilde basınç uygulandığında, mekanoreseptörler elektrik voltajını (yani bir elektrik enerjisi ölçüsü) değiştirerek yanıt verir. Birden fazla mekanoreseptörden gelen voltajlar birleştirilir ve tek bir nörona veya nörona iletilir. Belirli bir voltaj eşiğinde nöronlar, sinaps adı verilen kavşaklar aracılığıyla diğer nöronlara giden ve sonunda dokunma hissini kaydetmek için beyindeki nöronlara ulaşan tekrarlayan elektriksel uyarılar üretir.
Elektrik darbelerinin üretildiği frekans (hertz cinsinden, yani saniyedeki sayılarla ölçülür) uygulanan basınçla belirlenir. Daha yüksek basınçlar daha yüksek frekanslarda elektriksel impulslar üretirken, daha düşük basınçlar daha düşük frekanslı impulslar üretir ve bu elektriksel impulslar nihayetinde atım frekanslarına göre harici bir uyaranın basıncını algılamak için beyne iletilir ve işlenir.
Kısacası, biyolojik bir duyu siniri deriye bastırıldığında, mekanoreseptörler potansiyellerini değiştirirler ve bu içselleştirilir ve yakındaki nöronlara iletilir. Bir voltaj eşiğine ulaşıldığında, bu nöronlar sinapslarla kaynaşmış elektriksel uyarılar göndererek, dokunma hissini kaydetmek için beyne çarpar. Daha yüksek basınçlar, daha yüksek frekanslarda elektrik darbeleri üretir.
Yapay duyu siniri
Yapay duyu sinirleri hala gelişiminin çok erken bir aşamasındadır ve henüz insanlarda test edilmemiştir. Ancak bu yapay sinirler, bir gün insanlarda kullanım için güvenli ve etkili olacağı umuduyla tasarlandı. Biyolojik muadilini taklit etmek için, üç bileşen kullanılarak yapay bir duyusal sinir oluşturulur: dirençli basınç sensörleri, döngü osilatörleri ve biyolojik mekanoreseptörlere, nöronlara ve sinapslara karşılık gelen bir sinaptik transistör. Bu üç bileşeni kısaca açıklamak gerekirse;
Dirençli Basınç Sensörleri: Dirençli basınç sensörleri, elektrik akımını altın elektrotlara ileten karbon nanotüplerle dolu kauçuksu hiyerarşik yapılardan oluşur. Bu basınç sensörleri, piezoelektrik özellikler, yani bu mekanik gerilimi elektriğe dönüştürme yeteneği sergiler. Kauçuğa uygulanan basınçtaki artış, altın elektrotlara daha fazla karbon nanotüp zorlar ve döngü osilatörüne daha fazla elektrik akımı ve voltaj girişi sağlar.
Döngü Osilatörleri: Döngü osilatörleri, bir voltaj girişi tarafından belirlenen frekanslarda elektrik darbeleri üretebilen cihazlardır. Direnç sensörleri üzerindeki daha fazla stres nedeniyle daha yüksek bir voltaj verilmesi, duyusal nöronların elektriksel impulslar üretmesine benzer şekilde daha yüksek bir frekansla sonuçlanır.
Sinaptik Transistör: Bir sinaptik transistör, çoklu toroidal osilatörlerden gelen elektrik darbelerini alır ve birleştirir. Sinaptik transistörden gelen sinyaller bir bilgisayara kaydedilebilir (beyne benzer) veya biyolojik kas hareketlerini yürütmek için kullanılabilir (sonraki bölümde tartışılacağı gibi).
Yapay bir duyusal sinir, sırasıyla biyolojik mekanoreseptörlere, nöronlara ve sinapslara karşılık gelen bileşenlerden, yapay bir duyu sinirinden, dirençli basınç sensörlerinden, döngü osilatörlerinden ve bir sinaptik transistörden oluşur. Sinaptik transistörden gelen sinyal bir bilgisayara kaydedilebilir (beyne benzer). Biyolojik bir duyusal sinire benzer şekilde, yapay bir duyusal sinir, insanın basınç algılama kapasitesi (1 ila 80 kPa, yani basınçtan aşırı basınca) aralığındaki basınç sensörü gruplarından basınç bilgisi alır. Basınç bilgisi daha sonra döngü osilatörleri kullanılarak duyu nöronlarının frekanslarıyla (0 ila 100 Hz) eşleşen elektrik darbelerine dönüştürülür ve sinaptik transistör, çoklu döngü osilatörlerinden gelen elektrik darbelerini entegre eder.
Yapay duyu sinirlerinin uygulamalarının geliştirilmesi
Yapay duyu sinirinin gerçek dünyadaki uygulamalarını geliştirmeye katılan araştırmacılar, bu yeni teknolojiyi test etmek ve değerlendirmek için iki deney gerçekleştirdiler. Bu deneylerden biri Braille harfleri okumak, diğeri ise bir hamam böceğinin bacağını hareket ettirmektir. İlk test, teknolojinin karmaşık dokunma duyularını doğru bir şekilde yorumlama yeteneğini gösterirken, ikinci test yapay bir siniri biyolojik kaslara bağlamanın ve reflekse benzer gerçekçi bir nöral tepki devresini taklit etmenin mümkün olabileceğini gösterdi. Her iki özellik de algılama protezleri, mikro robotlar ve hibrit hayvanlar gibi fütürist kavramları beraberinde getiriyor.
Braille alfabesi
Braille görme engelliler için tasarlanmıştır. 26 farklı nokta kombinasyonuyla temsil edilen 2×3 ızgarada 6 noktadan oluşan 26 harf. Örneğin, E braille alfabesi nokta 1 ve nokta 5’in birleşimidir. İlk testte yazarlar, braille ızgara düzenine benzer şekilde 6 noktada bulunan dirençli basınç sensörlerini içeren 6 bölge oluşturdu. Basınca duyarlı her alan bir toroidal osilatöre bağlıdır. Farklı döngü osilatör gruplarından gelen çıktılar ızgaralı transistörler için girdi olarak kullanılır. Belirli harfleri temsil eden noktalar Braille alfabesiyle sıkıştırıldığında, karşılık gelen birbirine kenetlenen transistörler, döngü osilatörlerinden gelen elektrik sinyallerini yorumlar ve farklı harfler için farklı sinyaller üretir. Böylece, bu duyusal sinirler, robotların dokunma yeteneklerini geliştirmek için kullanılabilir.
Hibrit Biyo Elektronik Refleks
Biyolojik sinir sisteminde, omurilik veya beyin, duyusal sinirlerden duyumları alır ve işler. Duyusal sinirlerden girdi aldıktan sonra, omurilik veya beyin, duyuma mekanik bir tepki oluşturmak için motor sinirler (yani, omurilikten ve/veya beyinden motor sinyallerine motor sinyalleri gönderen sinirler) aracılığıyla bir çıkış yanıtı üretebilir. Motor sinirlerin iletişim kurma şekli, duyu sinirlerininkinden farklıdır. Bu tepkinin istemli olması için, beynin bir gıdıklanma durumu algılayıp, çizmek için kolunu ve parmaklarını aktif olarak hareket ettirmeye karar vermesi gibi, duyusal ve motor sinirler arasında etkileşime girmesi gerekir. Öte yandan, vücut bir uyarana mümkün olan en kısa sürede yanıt vermek istediğinde, sinyal ve yanıt beyni atlayarak doğrudan omurilik tarafından koordine edilir. Böyle bir istemsiz tepkinin bir örneği, dizin altındaki bir dirseğe tepki olarak bacağın ani bir şekilde uzaması olan diz sarsıntısı refleksidir. Bu durumda uzatma hareketi omurilikten gastroknemius kasına gönderilen sinyallerle kontrol edilir ve beyni tamamen atlar.
Gerçek beyin arayüzlerine şu anda erişilemezken, yapay bir duyusal sinir gerçekten de bir spinal yanıtı simüle edebilir. Araştırmacılar, tekniklerinin ikinci bir testinde, yapay bir sinirin sinaptik transistörünü, ayrı bir hamamböceği bacağının motor sinirine yerleştirilmiş bir uyarıcı elektroda (yani bir metal tel) bağladılar. Omuriliğinkine benzer şekilde sinaps transistöründen gelen elektrik darbesinin çıkışı, bacağın bir refleks gibi davranmasına neden oldu. Direnç sensörlerine uygulanan basıncın yoğunluğunun artması veya azalması bacak uzatma kuvvetini artırdı veya azalttı. Bu test, yapay duyu sinirlerinin biyolojik bir motor sinirle doğrudan iletişim kurabildiğini ve bir dış uyarana kas tepkisini etkileyebildiğini gösterdi.
Kısacası, yapay bir duyusal sinir, duyusal girdiyi motor çıktıyla bütünleştirebilir. Yapay duyusal sinirlerin motor tepkiler üretme yeteneğini test etmek için sinir, ayrılmış bir hamamböceği bacağına bağlandı. Yapay duyusal sinirin çıkış sinyalleri, bacak uzatma kuvvetini kontrol edebilir.
Yapay sinirler hakkında bilgi edinin ve dinlenin
Basıncı algılayabilen ve biyolojik kaslarla etkileşime girebilen yapay duyu sinirleri, protezlerle yaşayan insanların kaybettikleri duyuları geri kazanmalarına yardımcı olmak için önemli bir adım. Bir gün, robotlara çevreyi algılayabilen ve tepki verebilen yapay deri verebilirler. Ancak yapay sinir şu anki haliyle gerçek derinin tüm duyumlarına sahip olmaktan hala çok uzak. Spesifik olarak, yalnızca mevcut bir yapay sinir, basınca yanıt olarak nöron benzeri sinyaller üretebilirken, gerçek cilt aynı zamanda titreşimi, dokuyu, sıcaklığı, ağrıyı ve kaşıntıyı da algılayabilir. Ek olarak, insan beyninin, kayıp dokunma duyularını geri kazanmanın anahtarı olan yapay sinirlerden gelen sinyalleri işleyip işleyemeyeceğini göreceğiz.
kaynak:
http://sitn.hms.harvard.edu/flash/2018/artustry-nerves/
https://news.stanford.edu/2018/05/31/artustry-nerve-system-gives-prosthetic-devices-robots-sense-touch/
https://www.sciencemag.org/news/2018/05/new-artustry-nerves-could-transform-prosthetics
yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu
Diğer gönderilerimize göz at
[wpcin-random-posts]