Cuando la pata de cucaracha incorpórea se movió, Yeongin Kim supo que finalmente lo había logrado.

Una estudiante de posgrado en Stanford, Kim había estado trabajando con un equipo internacional de neuroingenieros en un proyecto loco: un nervio artificial que actúa como algo real. Al igual que las neuronas sensoriales incrustadas en nuestra piel, el dispositivo, que parece una curita Band-Aid, detecta el tacto, procesa la información y la envía a otros nervios.

Sí, incluso si ese nervio aguas abajo está dentro de una pierna de cucaracha.

Por supuesto, el objetivo final del proyecto no es jugar con los insectos por diversión. Por el contrario, el nervio artificial pronto podría proporcionar prótesis con un nuevo conjunto de sensaciones.

El tacto es solo el comienzo: las versiones futuras podrían incluir una sensación de temperatura, sensaciones de movimiento, textura y diferentes tipos de presión: todo lo que nos ayuda a navegar el entorno.

El nervio artificial fundamentalmente procesa la información de manera diferente que los sistemas informáticos actuales. En lugar de lidiar con 0s y 1s, el nervio "dispara" como su contraparte biológica. Debido a que utiliza el mismo lenguaje que un nervio biológico, el dispositivo puede comunicarse directamente con el cuerpo, ya sea la pierna de una cucaracha o terminaciones nerviosas residuales de una extremidad amputada.

Pero las prótesis son solo una parte de eso. El nervio artificial puede combinarse potencialmente con un "cerebro" artificial, por ejemplo, un chip de computadora neuromórfica que procesa la entrada de forma similar a nuestro cerebro, para interpretar sus señales de salida. El resultado es un sistema nervioso artificial multisensorial simple pero poderoso, listo para alimentar nuestra próxima generación de bio-robots.

"Creo que sería muy, muy interesante",dijo el ingeniero de materiales Dr. Alec Talin en el Sandia National Laboratory en California, que no participó en el trabajo. El equipo describió su dispositivo en Science .

Sentirse bien

Los dispositivos protésicos actuales ya son bastante notables. Pueden leer la actividad cerebral de un usuario y moverse en consecuencia. Algunos tienen sensores incrustados, lo que permite al usuario recibir sensaciones dispersas de tacto o presión. Los dispositivos experimentales más nuevos incluso incorporan un bi-hack que le da a su portador una sensación de movimiento y posición en el espacio, de modo que el usuario puede tomar una taza de café o abrir una puerta sin tener que mirar su mano protésica.

Sin embargo, nuestros sentidos naturales son mucho más complejos, e incluso las prótesis de última generación pueden generar una sensación de "otro", lo que a menudo resulta en el abandono del dispositivo. Replicar todos los sensores en nuestra piel ha sido un objetivo a largo plazo de los bioingenieros, pero difícil de lograr sin-aquí está el pateador-en realidad replicando cómo funcionan los sensores de nuestra piel.

Incrustados dentro de una astilla de nuestra piel hay miles de receptores sensibles a la presión, temperatura, dolor, picazón y textura. Cuando se activan, estos sensores disparan señales eléctricas a través de redes de nervios sensoriales, integrándose en "nodos" a lo largo del camino. Solo si las señales son lo suficientemente fuertes, si alcanzan un umbral, la información pasa al siguiente nodo y, finalmente, a la médula espinal y al cerebro para su interpretación.

Este modo de "intercomunicación y fuego" del parloteo neuronal es en parte la razón por la cual nuestro sistema sensorial es tan efectivo. Se las arregla para ignorar cientos de entradas insignificantes y ruidosas y solo transmite información que es útil. Pídale a una computadora clásica que procese todos estos datos en paralelo, incluso si ejecuta algoritmos de aprendizaje profundo de última generación, y se ahoga.

Código neuromórfico

Una cosa estaba clara para Kim y sus colegas: olvidarse de las computadoras, es hora de ponerse nervioso.

Trabajando con el Dr. Zhenan Bao en la Universidad de Stanford y el Dr. Tae-Woo Lee en la Universidad Nacional de Seúl en Seúl, Corea del Sur, Kim se propuso fabricar un dispositivo orgánico flexible que funcione como un nervio artificial.

El dispositivo contenía tres partes. El primero es una serie de sensores táctiles sensibles que pueden detectar los más mínimos cambios en la presión. Al tocar estos sensores se genera un voltaje eléctrico, que luego es recogido por el siguiente componente: un "oscilador de anillo". Este es simplemente un nombre elegante para un circuito que transforma la tensión en impulsos eléctricos, al igual que una neurona biológica.

Los pulsos se pasan luego al tercer componente, un transistor sináptico. Esa es la estación Grand Central para el dispositivo: toma todos los pulsos eléctricos de todos los sensores activos, que luego integra las señales. Si la entrada es lo suficientemente fuerte, el transistor dispara una cadena de pulsos eléctricos de varias frecuencias y magnitudes, similares a las producidas por las neuronas biológicas.

En otras palabras, las salidas del nervio artificial son patrones eléctricos que el cuerpo puede entender: el "código neuronal".

"El código neuronal es al mismo tiempo rico y eficiente, siendo una opción óptima para diseñar sistemas artificiales de detección y percepción",explicó la doctora Chiara Bartolozzi en el Instituto Italiano de Tecnología en Génova, que no participó en el trabajo.

Magia neuronal

En una serie de pruebas, el equipo demostró que tenía razón.

En un experimento, movieron una pequeña varilla a través del sensor de presión en diferentes direcciones y descubrieron que podía distinguir entre cada movimiento y proporcionar una estimación de la velocidad.

Otra prueba mostró que un nervio artificial más complicado podría diferenciar varias letras de Braille. El equipo conectó dos juegos de transistores sinápticos con osciladores. Cuando el dispositivo "sintió" los caracteres en Braille, las señales de presión se integraron, generando un patrón eléctrico de salida específico para cada letra.

"Este enfoque imita el proceso del procesamiento de la información táctil en un sistema somatosensorial biológico", dijeron los autores, agregando que los insumos crudos se procesan parcialmente en las sinapsis antes de su administración al cerebro.

Luego estaba el experimento de la cucaracha. Aquí, el equipo conectó el dispositivo a una sola pata de cucaracha separada. Luego aplicaron presión al dispositivo en pequeños incrementos, que se procesaron y pasaron a la cucaracha a través del transistor sináptico. El sistema nervioso de la cucaracha tomó las salidas como propias, moviendo la pierna de forma más o menos vigorosa dependiendo de la cantidad de presión que se aplicó inicialmente.

El dispositivo se puede utilizar en un "arco reflejo bioelectrónico híbrido", explicaron los autores, en el sentido de que se puede usar para controlar los músculos biológicos. Los futuros nervios artificiales podrían actuar de la misma manera, dando a las prótesis y los robots tanto sensaciones táctiles como reflejos.

El trabajo aún está en su infancia, pero el equipo tiene grandes esperanzas en su estrategia. Debido a que los productos electrónicos orgánicos como los que se usan aquí son pequeños y baratos de fabricar, los bioingenieros podrían empacar más sensores en áreas más pequeñas. Esto permitiría a múltiples nervios artificiales transmitir una gama más amplia de sensaciones para futuros usuarios de prótesis, transformando el apéndice robótico en algo que se siente más natural y "propio".

La retroalimentación táctil natural podría ayudar a los usuarios con un control motor fino en las manos protésicas, como sostener suavemente un plátano maduro. Cuando está incrustado en los pies de las prótesis de las extremidades inferiores, los nervios artificiales podrían ayudar al usuario a caminar de forma más natural debido a la retroalimentación de presión del suelo.

El equipo también sueña con cubrir robots completos con el dispositivo elástico. La información táctil podría ayudar a los robots a interactuar mejor con los objetos, o permitirles a los cirujanos controlar con mayor precisión los robots quirúrgicos remotos que requieren delicadeza.

Y tal vez algún día, el nervio artificial podría incluso combinarse con un chip neuromórfico, un chip de computadora que actúa de manera similar al cerebro, y dar como resultado un sistema nervioso artificial multisensorial simple pero poderoso para futuros robots.

"Damos por sentada la piel, pero es un sistema complejo de detección, señalización y toma de decisiones",dijo el autor del estudio, el Dr. Zhenan Bao, de la Universidad de Stanford. "Este sistema nervioso sensorial artificial es un paso hacia la creación de redes neuronales sensoriales similares a la piel para todo tipo de aplicaciones".

 

Shelly Xuelai Fan es neurocientífica en la Universidad de California, San Francisco, donde estudia formas de hacer que los viejos cerebros sean jóvenes nuevamente. Además de la investigación, también es una ávida escritora de ciencia con una obsesión insaciable con la biotecnología, la inteligencia artificial y todas las cosas neurológicas. 

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Respuestas

  • MUY INTERESANTE, DE HECHO AHORA AGREGUE UN ARTRICULO SOBRE QUE VAN A TENER PIEL!!!!!

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