Pesquisadores da Universidade Nacional de Stanford e Seul desenvolveram um sistema nervoso sensorial artificial que pode ativar o reflexo de contração em uma barata e identificar letras no alfabeto Braille.

O trabalho, relatado em 31 de maio em Ciência , é um passo para a criação de pele artificial para membros protéticos, para restaurar a sensação de amputados e, possivelmente, um dia, dê aos robôs algum tipo de capacidade reflexiva.

"Nós consideramos a pele algo natural, mas é um sensor complexo, sinalização e sistema de tomada de decisão, "disse Zhenan Bao, um professor de engenharia química e um dos autores seniores. "Este sistema nervoso sensorial artificial é um passo em direção à criação de redes neurais sensoriais semelhantes à pele para todos os tipos de aplicações."

Blocos de construção

Este marco é parte da busca de Bao para imitar como a pele pode esticar, reparar-se e, mais notavelmente, age como uma rede sensorial inteligente que sabe não só como transmitir sensações agradáveis ​​ao cérebro, mas também quando ordenar aos músculos que reajam reflexivamente para tomar decisões imediatas.

O novo artigo da Science descreve como os pesquisadores construíram um circuito nervoso sensorial artificial que poderia ser embutido em uma futura cobertura semelhante a uma pele para dispositivos neuro-protéticos e robótica macia. Este circuito nervoso artificial rudimentar integra três componentes descritos anteriormente.

O primeiro é um sensor de toque que pode detectar até forças minúsculas. Esse sensor envia sinais por meio do segundo componente - um neurônio eletrônico flexível. O sensor de toque e o neurônio eletrônico são versões aprimoradas de invenções relatadas anteriormente pelo laboratório Bao.

Os sinais sensoriais desses componentes estimulam o terceiro componente, um transistor sináptico artificial modelado a partir das sinapses humanas. O transistor sináptico é uma ideia de Tae-Woo Lee da Universidade Nacional de Seul, que passou seu ano sabático no laboratório de Stanford de Bao para iniciar o trabalho colaborativo.

"Sinapses biológicas podem transmitir sinais, e também armazenar informações para tomar decisões simples, "disse Lee, que foi um segundo autor sênior no papel. "O transistor sináptico executa essas funções no circuito nervoso artificial."

Lee usou um reflexo do joelho como um exemplo de como circuitos nervosos artificiais mais avançados podem um dia fazer parte de uma pele artificial que daria a dispositivos protéticos ou robôs tanto sentidos quanto reflexos.

Em humanos, quando um toque repentino faz com que os músculos do joelho se estiquem, certos sensores nesses músculos enviam um impulso por meio de um neurônio. O neurônio, por sua vez, envia uma série de sinais às sinapses relevantes. A rede sináptica reconhece o padrão do estiramento repentino e emite dois sinais simultaneamente, um fazendo com que os músculos do joelho se contraiam reflexivamente e um segundo, sinal menos urgente para registrar a sensação no cérebro.

Fazendo funcionar

O novo trabalho ainda tem um longo caminho a percorrer antes de atingir esse nível de complexidade. Mas no artigo da Science, o grupo descreve como o neurônio eletrônico entregou sinais ao transistor sináptico, que foi projetado de tal forma que aprendeu a reconhecer e reagir a entradas sensoriais com base na intensidade e frequência de sinais de baixa potência, apenas como uma sinapse biológica.

Os membros do grupo testaram a capacidade do sistema de gerar reflexos e sentir o toque.

Em um teste, eles conectaram seu nervo artificial a uma perna de barata e aplicaram pequenos incrementos de pressão em seu sensor de toque. O neurônio eletrônico converteu o sinal do sensor em sinais digitais e os retransmitiu por meio do transistor sináptico, fazendo a perna se contorcer mais ou menos vigorosamente conforme a pressão no sensor de toque aumenta ou diminui.

Eles também mostraram que o nervo artificial pode detectar várias sensações de toque. Em um experimento, o nervo artificial foi capaz de diferenciar letras Braille. Noutro, eles rolaram um cilindro sobre o sensor em diferentes direções e detectaram com precisão a direção do movimento.

Os alunos de graduação de Bao, Yeongin Kim e Alex Chortos, mais Wentao Xu, um pesquisador do próprio laboratório de Lee, também foram fundamentais para a integração dos componentes no sistema nervoso sensorial artificial funcional.

Os pesquisadores afirmam que a tecnologia de nervos artificiais ainda está engatinhando. Por exemplo, a criação de coberturas de pele artificiais para dispositivos protéticos exigirá novos dispositivos para detectar calor e outras sensações, a capacidade de incorporá-los em circuitos flexíveis e, em seguida, uma forma de fazer a interface de tudo isso com o cérebro.

O grupo também espera criar baixo consumo de energia, redes de sensores artificiais para cobrir robôs, a ideia é torná-los mais ágeis, fornecendo parte do mesmo feedback que os humanos obtêm de sua pele.