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Engenheiros criam pele artificial que pode enviar sensação de pressão para células do cérebro

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Dedo humano toca dedo robótico. O dispositivo de plástico transparente e preto sobre a "ponta do dedo" de ouro é o sensor de pele do tipo desenvolvido por engenheiros de Stanford. Este sensor pode detectar pressão e transmitir essa sensação de toque de uma célula nervosa. O objetivo é criar uma pele artificial, cravejado com muitos desses sensores miniaturizados, para dar apêndices protéticos algumas das capacidades sensoriais da pele humana.
Crédito: Laboratório Bao

Engenheiros de Stanford criaram uma "pele" de plástico que pode detectar o quão difícil está sendo pressionado e gerar um sinal elétrico para entregar esta entrada sensorial diretamente para uma célula do cérebro vivo.

Zhenan Bao, um professor de engenharia química na Universidade de Stanford, passou uma década tentando desenvolver um material que imita a capacidade da pele para flexionar e curar, servindo ao mesmo tempo a rede sensor que envia sinais de toque, temperatura e dor ao cérebro. Em última análise, ela quer criar um tecido eletrônico flexível incorporado com sensores que poderiam cobrir uma prótese e replicar algumas das funções sensoriais da pele.

O trabalho de Bao, informou hoje em Ciência, dá mais um passo em direção a sua meta, replicando um aspecto de toque, o mecanismo sensorial que nos permite distinguir a diferença de pressão entre um aperto de mão mole e um aperto firme.

"Esta é a primeira vez, um material flexível pele-como tem sido capaz de detectar a pressão e também transmitir um sinal a um componente do sistema nervoso", disse Bao, que liderou a equipe de pesquisa de 17 pessoas responsáveis ​​pela realização.

Benjamin Tee, uma pós-graduação de doutorado recente em engenharia elétrica; Alex Chortos, doutorando em ciência e engenharia de materiais; e Andre Berndt, um estudioso pós-doutorado em bioengenharia, foram os principais autores sobre a Ciência papel.

Digitalização de toque

O coração da técnica é uma construção de plástico de duas camadas: a camada superior cria um mecanismo de deteco e a camada inferior actua como o circuito para o transporte de sinais eléctricos e traduzi-las em estímulos bioquímicos compatíveis com células nervosas. A camada superior no novo trabalho contou com um sensor que pode detectar a pressão sobre o mesmo intervalo que a pele humana, a partir de um dedo leve toque para um aperto de mão firme.

Há cinco anos, os membros da equipe de Bao descrita pela primeira vez como usar plásticos e borrachas como sensores de pressão medindo a elasticidade natural de suas estruturas moleculares. Eles, então, aumentaram essa sensibilidade pressão natural pelo recuo um padrão de waffle no plástico fino, que comprime ainda mais molas moleculares do plástico.

Para explorar esta capacidade de detecção de pressão eletronicamente, a equipe espalhados bilhões de nanotubos de carbono através do plástico vacilou. Colocando pressão sobre o plástico aperta os nanotubos mais juntos e que lhes permite conduzir eletricidade.

Isto permitiu que o sensor de plástico para imitar a pele humana, que transmite informação sobre a pressão como pulsos curtos de electricidade, semelhante ao código Morse, para o cérebro. Aumentando a pressão sobre os nanotubos waffled aperta-los ainda mais perto em conjunto, permitindo que mais energia flua através do sensor, e esses impulsos são enviados variadas pulsos curtos quanto ao mecanismo de deteco. Remover a pressão, e o fluxo de impulsos relaxa, indicando toque leve. Remova toda a pressão e os pulsos de cessar completamente.

A equipe então enganchou este mecanismo de detecção de pressão para a segunda camada da pele artificial, um circuito eletrônico flexível que poderia levar pulsos de eletricidade para as células nervosas.

Importando o sinal

A equipe de Bao tem vindo a desenvolver eletrônica flexível que pode dobrar sem quebrar. Para este projeto, os membros da equipe trabalharam com pesquisadores do PARC, uma empresa Xerox, que tem uma tecnologia que usa uma impressora jato de tinta para depositar circuitos flexíveis em plástico. Cobrindo uma grande superfície é importante para fazer a pele artificial prático, e com a colaboração PARC oferecido essa perspectiva.

Finalmente, a equipe teve que provar que o sinal eletrônico poderia ser reconhecido por um neurônio biológico. Ele fez isso através da adaptação de uma técnica desenvolvida por Karl Deisseroth, professor companheiro de bioengenharia na Universidade de Stanford, que foi pioneiro de um campo que combina genética e óptica, chamada optogenética. Células Bioengineer pesquisadores para torná-las sensíveis a frequências específicas de luz, em seguida, usar pulsos de luz para mudar as células ou os processos que estão sendo realizadas dentro deles, dentro e fora.

Para esta experiência os membros da equipa de engenharia uma linha de neurónios para simular uma parte do sistema nervoso humano. Eles traduziram os sinais de pressão eletrônicos da pele artificial em pulsos de luz, que os neurônios ativados, provando que a pele artificial poderia gerar uma saída sensorial compatível com as células nervosas.

Optogenetics foi utilizado apenas como uma prova de conceito experimental, Bao disse, e outros métodos para estimular nervos são susceptíveis de ser utilizados em dispositivos protéticos reais. A equipe de Bao já trabalhou com Bianxiao Cui, professor associado de química na Universidade de Stanford, para mostrar que a estimulação direta dos neurônios com impulsos eléctricos é possível.

A equipe de Bao prevê o desenvolvimento de sensores diferentes para replicar, por exemplo, a capacidade de distinguir veludo contra seda, ou um copo de água fria a partir de uma xícara de café quente. Isso vai levar tempo. Existem seis tipos de mecanismos de detecção biológicos na mão humana, e a experiência descrita na Science comunica com êxito em apenas um deles.

Mas a abordagem de duas camadas atual significa que a equipe pode adicionar sensações como ele se desenvolve novos mecanismos. E o processo de fabrico de impressão de jacto de tinta sugere como uma rede de sensores pode ser depositado sobre uma camada flexível e dobrado ao longo de um lado da prótese.

"Nós temos um monte de trabalho para tirar isso de experimental para aplicações práticas", disse Bao. "Mas depois de passar muitos anos neste trabalho, agora vejo um caminho claro onde podemos levar a nossa pele artificial."

Fonte da história:

O post acima é reproduzido a partir de materiais fornecidos pela Universidade de Stanford. O artigo original foi escrito por Tom Abate. Nota: Os materiais pode ser editado por conteúdo e comprimento.

Jornal de referência:

BCK T et al. A mecanorreceptor digitais orgânico inspirado pele. Ciência, 2015 DOI: 10.1126 / science.aaa9306

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Lúcio Soares

Gosto de pesquisar sobre variados assuntos e principalmente aqueles que a grande mídia não divulga. Desde o inicio com o Blog Olho Solitário tenho aprendido muito e sei que na busca da verdade não estamos sozinhos.

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