Νέα τεχνητά «νεύρα πόνου» φέρνουν ανθρώπινα αντανακλαστικά στα ρομπότ

Ερευνητές από το Βορειοανατολικό Παιδαγωγικό Πανεπιστήμιο της Κίνας ανέπτυξαν ένα νέο, μαλακό, ζελατινώδες ηλεκτρονικό «νεύρο πόνου», το οποίο θα μπορούσε να προσδώσει στα ρομπότ ανθρώπινου τύπου αντανακλαστικά. Όπως εξηγούν, τα συγκεκριμένα «νεύρα» μπορούν να αντιλαμβάνονται την πίεση σε διαφορετικές εντάσεις και όχι απλώς με δυαδικό τρόπο, δηλαδή μόνο ως «ναι» ή «όχι».

Επιπλέον, τα νεύρα αυτά φαίνεται να γίνονται πιο ευαίσθητα αφού πρώτα «τραυματιστούν». Με την πάροδο του χρόνου, καθώς «επουλώνονται», η ευαισθησία τους μειώνεται και επανέρχονται σταδιακά σε πιο ήπια αντίδραση. Εντυπωσιακό είναι επίσης το γεγονός ότι τα νέα ηλεκτρονικά νεύρα μπορούν να αυτοεπιδιορθώνονται όταν υποστούν φυσική βλάβη, ενώ θεωρητικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για την ενεργοποίηση αντανακλαστικών, όπως η απομάκρυνση ενός άκρου από μια πηγή «πόνου».

Με αυτόν τον τρόπο, τα συγκεκριμένα νεύρα συμπεριφέρονται με τρόπο εξαιρετικά παρόμοιο με τις βιολογικές αποκρίσεις στον πόνο, μάλιστα σε μεγαλύτερο βαθμό από αντίστοιχους αισθητήρες που είχαν αναπτυχθεί στο παρελθόν για ρομποτικές εφαρμογές. Σήμερα, οι περισσότεροι αισθητήρες ρομπότ λειτουργούν δυαδικά, ανιχνεύοντας απλώς την επαφή ή την απουσία της, ενώ είναι και «άστατοι», με την έννοια ότι «ξεχνούν» αμέσως τον πόνο μόλις αυτός καταγραφεί.

Από τους εύθραυστους αισθητήρες στα «νεύρα» με μνήμη

Ένα ακόμη μειονέκτημα των υπαρχόντων αισθητήρων είναι η ευθραυστότητά τους, καθώς οποιαδήποτε ζημιά συνήθως οδηγεί στην πλήρη αντικατάστασή τους, σύμφωνα με το interestingengineering. Στον άνθρωπο, αντίθετα, τα νεύρα μπορούν να «κωδικοποιούν» την ένταση του πόνου και να παραμένουν υπερευαίσθητα για κάποιο χρονικό διάστημα μετά από έναν τραυματισμό, πριν επιστρέψουν σταδιακά στη φυσιολογική τους κατάσταση. Αυτή η διαδικασία προσφέρει προστασία στους τραυματισμένους ιστούς του σώματος.

Το νέο ρομποτικό «νεύρο» επιχειρεί να αναπαράγει αυτή τη συμπεριφορά μέσω υλικού εξοπλισμού και όχι μέσω λογισμικού. Κεντρικό ρόλο στην ανάπτυξη παίζουν τα λεγόμενα memristor, ηλεκτρονικά εξαρτήματα των οποίων η αντίσταση εξαρτάται από το ιστορικό των προηγούμενων διεγέρσεων. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό, καθώς και οι νευρώνες θυμούνται παλαιότερα ερεθίσματα και η ευαισθησία στον πόνο επηρεάζεται από το παρελθόν.

Σε αντίθεση με τα περισσότερα memristor που εναλλάσσονται μεταξύ δύο καταστάσεων, τα νέα που χρησιμοποιήθηκαν από την ερευνητική ομάδα διαθέτουν 16 σταθερά επίπεδα, παρόμοια με έναν ροοστάτη φωτισμού αντί για έναν απλό διακόπτη. Κάθε επίπεδο αντιστοιχεί σε διαφορετική ένταση πόνου, από την πλήρη απουσία έως ήπιο, μέτριο ή έντονο πόνο.

Ζελατίνη, αυτοΐαση και δοκιμές σε ποντίκια

Οι ερευνητές αξιοποίησαν επίσης τη ζελατίνη, την ίδια πρωτεΐνη που συναντάται στο κολλαγόνο, η οποία μπορεί να αγάγει ιόντα όπως συμβαίνει στους ζωντανούς οργανισμούς. Η ζελατίνη έχει την ιδιότητα να αυτοθεραπεύεται όταν θερμαίνεται και διαθέτει χημικές ομάδες που κατευθύνουν με ακρίβεια την κίνηση των ιόντων. Αυτό επιτρέπει, όπως εξηγεί η ομάδα, στα ιόντα μαγνησίου να κινούνται και να σχηματίζουν μικροσκοπικές αγώγιμες διαδρομές.

Οι διαδρομές αυτές δημιουργούνται σε προβλέψιμα στάδια, προσφέροντας τα 16 επίπεδα πόνου του memristor. Έτσι, ο αισθητήρας πίεσης μπορεί να μετατρέπει τη φυσική δύναμη σε ηλεκτρονικό ρεύμα και να πυροδοτεί μια αντίδραση, όπως η ενεργοποίηση ενός μυός. Η ερευνητική ομάδα συνέδεσε μάλιστα το νέο νεύρο με το ισχιακό νεύρο ποντικιού, διαπιστώνοντας ότι μπορούσε να προκαλέσει μυϊκή αντίδραση παρόμοια με ένα φυσικό αντανακλαστικό τόξο, χωρίς να απαιτείται η εμπλοκή του εγκεφάλου.

Η βασική διαφορά σε σχέση με τους ζωντανούς οργανισμούς αφορά τη διαδικασία επούλωσης της ζελατίνης, η οποία απαιτεί θέρμανση στους 60 βαθμούς Κελσίου για να επανασυνδεθούν οι δεσμοί. Αν και αυτό δεν είναι ασφαλές για έμβια όντα, θεωρείται απολύτως αποδεκτό για ρομποτικές εφαρμογές.

Η συγκεκριμένη ανακάλυψη δεν αποσκοπεί στο να «νιώθουν» πόνο τα ρομπότ, αλλά στην ενίσχυση της ασφάλειας και της ανθεκτικότητάς τους. Θα μπορούσε να βοηθήσει τα ρομπότ να προστατεύουν τον εαυτό τους κατά τη λειτουργία τους, να «μαθαίνουν» τι είναι επικίνδυνο να αγγίζουν, όπως συμβαίνει και στους ανθρώπους από την παιδική ηλικία, ή ακόμη και να ενσωματωθεί σε προσθετικά μέλη που αντιδρούν αναλογικά στις ανάγκες των ασθενών.