કૃત્રિમ સંવેદનાત્મક નર્વ સિસ્ટમ: પ્રોસ્થેટિક્સ માટે વરદાન

સંશોધકોએ એક કૃત્રિમ સંવેદનાત્મક ચેતા પ્રણાલી વિકસાવી છે જે માનવ શરીર જેવી જ માહિતી પર પ્રક્રિયા કરી શકે છે અને તે કૃત્રિમ અંગોને અસરકારક રીતે સ્પર્શની ભાવના આપી શકે છે.

આપણી ત્વચા, શરીરનું સૌથી મોટું અંગ, પણ સૌથી મહત્વપૂર્ણ છે કારણ કે તે આપણા આખા શરીરને આવરી લે છે, આપણા શરીરના તાપમાનને નિયંત્રિત કરે છે અને આપણને સૂર્ય, અસામાન્ય તાપમાન, સૂક્ષ્મજંતુઓ વગેરે જેવા હાનિકારક બાહ્ય પરિબળોથી રક્ષણ આપે છે. આપણી ત્વચા નોંધપાત્ર રીતે ખેંચાઈ શકે છે અને તેને સુધારી શકે છે. ત્વચા પણ મહત્વપૂર્ણ છે કારણ કે તે આપણને સ્પર્શની ભાવના પ્રદાન કરે છે જેના દ્વારા આપણે નિર્ણયો લઈ શકીએ છીએ. ત્વચા આપણા માટે એક જટિલ સંવેદના અને સંકેત પ્રણાલી છે.

માં પ્રકાશિત એક અભ્યાસમાં વિજ્ઞાન, સ્ટેનફોર્ડ યુનિવર્સિટી અને સિઓલ નેશનલ યુનિવર્સિટીના પ્રોફેસર ઝેનાન બાઓની આગેવાની હેઠળના સંશોધકોએ એક કૃત્રિમ સંવેદનાત્મક ચેતાતંત્ર કે જે માટે "કૃત્રિમ ત્વચા" બનાવવાની દિશામાં એક મોટું પગલું હોઈ શકે છે પ્રોસ્થેટિક્સ અંગો જે સંવેદના પુનઃસ્થાપિત કરી શકે છે અને સામાન્ય ત્વચા આવરણની જેમ કાર્ય કરી શકે છે. આ અભ્યાસનું પડકારજનક પાસું એ હતું કે આપણી ત્વચાની અસરકારક રીતે નકલ કેવી રીતે કરવી જે અનેક વિશિષ્ટ ગુણધર્મો ધરાવે છે. જે લક્ષણની નકલ કરવી સૌથી મુશ્કેલ છે તે એ છે કે જે રીતે આપણી ત્વચા સ્માર્ટની જેમ વર્તે છે સંવેદનાત્મક નેટવર્ક જે સૌપ્રથમ મગજમાં સંવેદનાઓ પ્રસારિત કરે છે અને ત્વરિત નિર્ણયો લેવા માટે અમારા સ્નાયુઓને રીફ્લેક્સ દ્વારા પ્રતિક્રિયા આપવાનો આદેશ પણ આપે છે. ઉદાહરણ તરીકે, નળના કારણે કોણીના સ્નાયુઓ ખેંચાય છે અને આ સ્નાયુઓમાંના સેન્સર ચેતાકોષ દ્વારા મગજમાં આવેગ મોકલે છે. ત્યારબાદ ચેતાકોષ સંબંધિત સિનેપ્સમાં સિગ્નલોની શ્રેણી મોકલે છે. આપણા શરીરમાં સિનેપ્ટિક નેટવર્ક સ્નાયુઓમાં અચાનક ખેંચાઈ જવાની પેટર્નને ઓળખે છે અને એક સાથે બે સંકેતો મોકલે છે. એક સિગ્નલ કોણીના સ્નાયુઓને રીફ્લેક્સ તરીકે સંકોચવાનું કારણ બને છે અને બીજું સિગ્નલ આ સંવેદના વિશે જાણ કરવા મગજમાં જાય છે. ઘટનાનો આ આખો ક્રમ લગભગ સેકન્ડના અપૂર્ણાંકમાં થાય છે. ચેતાકોષોના નેટવર્કમાં તમામ કાર્યાત્મક તત્વો સહિત આ જટિલ જૈવિક સંવેદનાત્મક ચેતા પ્રણાલીઓની નકલ કરવી હજુ પણ પડકારરૂપ છે.

અનન્ય સંવેદનાત્મક ચેતા પ્રણાલી જે વાસ્તવિકની "નકલ" કરે છે

સંશોધકોએ એક અનન્ય સંવેદનાત્મક સિસ્ટમ બનાવી છે જે માનવ ચેતાતંત્ર કેવી રીતે કાર્ય કરે છે તેની નકલ કરી શકે છે. સંશોધકો દ્વારા રચાયેલ "કૃત્રિમ ચેતા સર્કિટ" ત્રણ ઘટકોને એક સપાટ, લવચીક શીટમાં એકીકૃત કરે છે જે થોડા સેન્ટીમીટર માપે છે. આ ઘટકોનું વ્યક્તિગત રીતે અગાઉ વર્ણન કરવામાં આવ્યું છે. પ્રથમ ઘટક સ્પર્શ છે સેન્સર જે દળો અને દબાણ (મિની પણ) શોધી શકે છે. આ સેન્સર (ના બનેલા ઓર્ગેનિક પોલિમર, કાર્બન નેનોટ્યુબ અને ગોલ્ડ ઇલેક્ટ્રોડ) બીજા ઘટક, લવચીક ઇલેક્ટ્રોનિક ન્યુરોન દ્વારા સિગ્નલ મોકલે છે. આ બંને ઘટકો એ જ સંશોધકો દ્વારા અગાઉ જે વિકસિત કરવામાં આવ્યા હતા તેના ઉન્નત અને સુધારેલા સંસ્કરણો છે. આ બે ઘટકોમાંથી ઉત્પન્ન થયેલા અને પસાર થતા સંવેદનાત્મક સંકેતો ત્રીજા ઘટકને વિતરિત કરવામાં આવે છે, એક કૃત્રિમ સિનેપ્ટિક ટ્રાન્ઝિસ્ટર જે મગજમાં માનવ ચેતોપાગમની જેમ બરાબર છે. આ ત્રણેય ઘટકોએ એકસાથે કામ કરવું પડશે અને અંતિમ કાર્યનું નિદર્શન કરવું એ સૌથી પડકારજનક પાસું હતું. વાસ્તવિક જૈવિક ચેતોપાગમ સંકેતો અને માહિતી સંગ્રહિત કરે છે જે નિર્ણયો લેવા માટે જરૂરી છે. આ સિનેપ્ટિક ટ્રાન્ઝિસ્ટર કૃત્રિમ ચેતા સર્કિટનો ઉપયોગ કરીને સિનેપ્ટિક ટ્રાન્ઝિસ્ટરને ઇલેક્ટ્રોનિક સિગ્નલો પહોંચાડીને આ કાર્યો "પરફોર્મ" કરે છે. તેથી, આ કૃત્રિમ સિસ્ટમ ઓછી શક્તિના સંકેતોની તીવ્રતા અને આવર્તનના આધારે સંવેદનાત્મક ઇનપુટ્સને ઓળખવાનું અને તેના પર પ્રતિક્રિયા કરવાનું શીખે છે, જીવંત શરીરમાં જૈવિક ચેતોપાગમ કેવી રીતે કરશે. આ અભ્યાસની નવીનતા એ છે કે કેવી રીતે આ ત્રણ વ્યક્તિગત ઘટકો કે જેઓ અગાઉ જાણીતા હતા તેઓ એક સંકલિત સિસ્ટમ પહોંચાડવા માટે પ્રથમ વખત સફળતાપૂર્વક સંકલિત થયા હતા.

સંશોધકોએ આ પ્રણાલીની પ્રતિબિંબ પેદા કરવાની અને સ્પર્શની સંવેદનાની ક્ષમતાનું પરીક્ષણ કર્યું. એક પ્રયોગમાં તેઓએ તેમની કૃત્રિમ જ્ઞાનતંતુને કોકરોચના પગ સાથે જોડી દીધી અને તેમના ટચ સેન્સર પર નાનું દબાણ લગાવ્યું. ઇલેક્ટ્રોનિક ન્યુરોને સેન્સર સિગ્નલને ડિજિટલ સિગ્નલમાં રૂપાંતરિત કર્યું અને તેમને સિનેપ્ટિક ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાંથી પસાર કર્યું. આના કારણે ટચ સેન્સરમાં દબાણ વધવા અથવા ઘટવાના આધારે વંદોનો પગ ઝૂકી ગયો. તેથી, આ કૃત્રિમ સેટઅપ ચોક્કસપણે ટ્વિચ રીફ્લેક્સને સક્રિય કરે છે. બીજા પ્રયોગમાં, સંશોધકોએ બ્રેઇલ અક્ષરોને અલગ પાડવા સક્ષમ બનીને વિવિધ સ્પર્શ સંવેદનાઓને શોધવામાં કૃત્રિમ જ્ઞાનતંતુની ક્ષમતા પ્રદર્શિત કરી. અન્ય પરીક્ષણમાં તેઓએ સેન્સર પર એક સિલિન્ડર જુદી જુદી દિશામાં ફેરવ્યું અને ગતિની ચોક્કસ દિશાને ચોક્કસ રીતે શોધી શક્યા. આમ, આ ઉપકરણ ઑબ્જેક્ટ ઓળખ અને સુંદર સ્પર્શેન્દ્રિય માહિતી પ્રક્રિયાને સુધારવામાં સક્ષમ છે જેમ કે ટેક્સચર ઓળખ, બ્રેઇલ વાંચન અને ઑબ્જેક્ટની ધારને અલગ પાડવા.

કૃત્રિમ સંવેદનાત્મક ચેતાતંત્રનું ભવિષ્ય

આ કૃત્રિમ જ્ઞાનતંતુ ટેક્નોલોજી ખૂબ જ પ્રારંભિક તબક્કામાં છે અને તે જરૂરી જટિલતાના સ્તરે પહોંચી નથી પરંતુ કૃત્રિમ ત્વચા આવરણ બનાવવા માટે ઘણી આશા આપે છે. તે સ્પષ્ટ છે કે આવા "કવરિંગ્સ" ને ગરમી, કંપન, દબાણ અને અન્ય દળો અને સંવેદનાઓ શોધવા માટે ઉપકરણોની પણ જરૂર પડશે. તેમની પાસે લવચીક સર્કિટમાં એમ્બેડ થવાની સારી ક્ષમતા હોવી જોઈએ જેથી કરીને તેઓ મગજ સાથે અસરકારક રીતે ઇન્ટરફેસ કરી શકે. અમારી ત્વચાની નકલ કરવા માટે, ઉપકરણમાં વધુ એકીકરણ અને કાર્યક્ષમતા હોવી જરૂરી છે જે તેને વધુ સ્થિર અને વિશ્વસનીય બનાવશે.

આ કૃત્રિમ જ્ઞાનતંતુ તકનીક પ્રોસ્થેટિક્સ માટે વરદાન બની શકે છે અને એમ્પ્યુટીસમાં સંવેદના પુનઃસ્થાપિત કરી શકે છે. ઉપલબ્ધ વધુ 3D પ્રિન્ટીંગ ટેક્નોલોજી અને વધુ પ્રતિભાવશીલ રોબોટિક્સ સિસ્ટમ્સ સાથે પ્રોસ્થેટિક ઉપકરણોમાં વર્ષ દરમિયાન ઘણો સુધારો થયો છે. આ સુધારાઓ હોવા છતાં, આજે ઉપલબ્ધ મોટાભાગના કૃત્રિમ ઉપકરણોને ખૂબ જ રફ રીતે નિયંત્રિત કરવું પડે છે કારણ કે તે વિશાળ માનવ ચેતાતંત્રની જટિલતાઓને સમાવિષ્ટ કરવાના અભાવને કારણે મગજ સાથે સારો સંતોષકારક ઇન્ટરફેસ પ્રદાન કરતા નથી. ઉપકરણ પ્રતિસાદ આપતું નથી અને તેથી દર્દી ખૂબ જ અસંતોષ અનુભવે છે અને વહેલા કે પછી તેને કાઢી નાખે છે. આવી કૃત્રિમ નર્વ ટેક્નોલોજી જ્યારે સફળતાપૂર્વક પ્રોસ્થેટિક્સમાં સમાવિષ્ટ કરવામાં આવે છે ત્યારે તે વપરાશકર્તાઓ માટે સ્પર્શની માહિતી પહોંચાડશે અને દર્દીઓને વધુ સારો અનુભવ પ્રદાન કરવામાં મદદ કરશે. રીફ્લેક્સ અને ટચ સેન્સની શક્તિઓ આપીને વિવિધ એપ્લિકેશનો માટે ત્વચા જેવા સંવેદનાત્મક ન્યુરલ નેટવર્ક બનાવવાની દિશામાં આ ઉપકરણ એક મોટું પગલું છે.

***

{તમે ટાંકેલા સ્ત્રોત(ઓ)ની સૂચિમાં નીચે આપેલ DOI લિંક પર ક્લિક કરીને મૂળ સંશોધન પેપર વાંચી શકો છો}

સ્રોત (ઓ)

યેઓંગિન કે એટ અલ. 2018. બાયોઇન્સાયર્ડ ફ્લેક્સિબલ ઓર્ગેનિક આર્ટિફિશિયલ એફરન્ટ નર્વ. વિજ્ઞાન. https://doi.org/10.1126/science.aao0098