الجلد ليس فقط أكبر عضو في أجسامنا ، ولكنه أيضًا أكبر نظام حسي يجمع المعلومات كل ثانية حول المحفزات الخارجية ومستويات تأثيرها على أجسامنا. من وجهة نظر ميكانيكية ، فإن إعادة بناء جلد الإنسان ليس بهذه الصعوبة ، ولكنه سيكون فقط طبقة واقية اصطناعية ، خالية من النشاط العصبي. طور علماء من الجامعة الملكية للتكنولوجيا في ملبورن (ملبورن ، أستراليا) نظامًا من أجهزة الاستشعار الاصطناعية التي تحاكي أجهزة استشعار الجلد البشري المختلفة. ما هو المطلوب لإنشاء مثل هذا التقليد المعقد ، ما هو مبدأ تشغيل الجهاز ، وما هي المحفزات التي يمكنه إدراكها ، وأين يمكن تطبيق هذا التطور؟ سنجد إجابات لهذه الأسئلة وغيرها في تقرير العلماء. اذهب.
أساس البحث
يمكن تقسيم الجهاز الحسي لجلد الإنسان إلى عدة أنظمة فرعية ، كل منها مسؤول عن محفزات معينة. المستقبلات الأكثر شيوعًا والأكثر أهمية هي مستقبلات الضغط (Pacini corpuscles) ، ومستقبلات درجة الحرارة (المستقبلات الحرارية) ومستقبلات الألم (مستقبلات الألم).
كل من هذه المستقبلات تجمع المعلومات وتنقل الإشارات إلى الدماغ البشري للمعالجة واتخاذ القرارات المناسبة. الأنظمة الحسية الأخرى (الرؤية ، السمع ، الذوق ، الشم) لها مبدأ تشغيل مماثل.
من المنطقي أن مثل هذا النظام البيولوجي من الصعب للغاية إعادة إنتاجه ، حتى مع الأخذ في الاعتبار أجهزة الاستشعار اللمسية الحديثة و CMOS (هيكل أشباه الموصلات وأكسيد المعدن التكميلي).
هناك تطورات تنفذ مستقبلات ألم اصطناعية تعتمد على memristor الانتشار *، والتي قد تظهر حالة طبيعية تتكون من مرحلة التوتر والاسترخاء لمستقبلة الأذية، فضلا عن حالة غير طبيعية مع آلام جلدية * و فرط التألم * من مستقبلة الأذية باستخدام مؤثرات الخارجية كما التوتر.
Memristor * هو عنصر سلبي في الإلكترونيات الدقيقة قادر على تغيير مقاومته اعتمادًا على الشحنة التي تمر عبره.
ألم اللآليل * هو ألم غير طبيعي ناتج عن مادة مهيجة لا تكون مؤلمة عادة (مثل الألم عند لمسها برفق).وفقًا للعلماء ، تعد هذه التطورات مهمة للغاية ، نظرًا لأن آلية تبديل الميمريستور تعتمد على الخيوط الموصلة ، والتي يبلغ قطرها تقريبًا subnanometer. باستخدام الوحدة الكهروحرارية ووحدة الضغط الكهروإجهادي ، من الممكن تحقيق حالة التوتر والاسترخاء بنجاح بين الوظائف الرئيسية الأربع لمستقبلات الألم.
فرط التألم * - حساسية عالية بشكل غير طبيعي من الجسم لمحفزات الألم.
في الوقت الحالي ، يتم استخدام تقنية مماثلة لإنشاء عين اصطناعية ، لكن تنفيذها على شكل جلد صناعي لم يتحقق بعد.
في هذا العمل ، أظهر العلماء نموذجًا أوليًا عمليًا من المستقبلات الإلكترونية الاصطناعية التي تحاكي جسم Pacini الصغير ، والمستقبلات الحرارية ، ومستقبلات الألم. تم تحقيق ذلك من خلال مزيج من عدة مكونات وظيفية:
- memristor لاتخاذ القرار على أساس تيتانات السترونتيوم SrTiO3 (STO) مع نقص الأكسجين ؛
- مستشعر ضغط يعتمد على المطاط الصناعي الشد (بولي دايميثيل سيلوكسان ، أي PDMS) ؛
- مشغل درجة الحرارة على أساس أكسيد الفاناديوم (VO 2 ) مع تغير المرحلة.
يتمثل الاختلاف الرئيسي لهذا المفهوم عن المفاهيم السابقة في أنه لا توجد حاجة لوحدات كهروحرارية منفصلة ومعقدة وأجهزة استشعار الضغط الكهروإجهادية للتنفيذ العملي لأجهزة الاستشعار الجسدية. وبالتالي ، فإن التطوير يستخدم أغشية أكسيد رفيعة غير مكلفة للغاية ومتاحة بسهولة ، بالإضافة إلى مستشعرات ضغط يمكن ارتداؤها على PDMS متوافق حيويًا.
نتائج البحث
قبل إنشاء أي شيء ، عليك التفكير في ماذا وكيف سيعمل في الإصدار النهائي. بهدف إنشاء مستقبلات الجلد الاصطناعية ، تم تطوير أساس افتراضي لتنفيذ أجسام Pacini الوظيفية ، والمستقبلات الحرارية ومستقبلات الألم (الرسم البياني أدناه).
Image # 1
ترتبط المستشعرات الجسدية البشرية بالحبل الشوكي من خلال قرون العمود الفقري (نتوءات المادة الرمادية) ، والتي تنقل المعلومات إلى الدماغ ( 1 أ ). هناك طرق خاصة لتحديد الضغط (أزرق عند 1 أ ) ودرجة الحرارة (أحمر عند 1 أ ).
أجسام باتشيني عبارة عن طبقات من الأغشية مليئة بالسائل. تعد بصمات الأصابع مثالًا رئيسيًا على جسد باتشيني الصغير. عندما يتم تطبيق ضغط موضعي على الجسم ، يتشوه جزء من الجسم ، مما يتسبب في حدوث تحول في الأيونات الكيميائية (على سبيل المثال ، الصوديوم أو البوتاسيوم) ، ونتيجة لذلك ، تنشأ إمكانات مستقبلية عند النهايات العصبية للجلد. هذا المستقبل المحتمل ، عندما يتم الوصول إلى طاقة كافية (عتبة) ، يولد دفعة كهربائية داخل الجسم ، والتي تنتقل عبر الجهاز العصبي المركزي لتفعيل استجابة حركية عبر الألياف العصبية (أزرق عند 1 أ ).
عندما ترتفع درجة حرارة الجلد عن 30 درجة مئوية ، يكتشف المستقبل الحراري الحرارة ويطلق إمكانات العمل. يزداد تردد الإثارة مع زيادة درجة حرارة التحفيز حتى تصل إلى قيمة التشبع. بالإضافة إلى ذلك ، تبدأ مستقبلات الألم الحرارية التي تلتقط إشارات الألم في الاشتعال عند حوالي 45 درجة مئوية. هذه الخلايا متخصصة في الكشف عن الحروق والحرارة الضارة.
عندما يتم تلقي محفز ضار بواسطة عصبون حراري يقع عند نهاية العصب الحر ، يتم إرسال استجابة كهربائية إلى مستقبلات الألم لمقارنة ما إذا كان اتساع الحافز يتجاوز العتبة لتوليد جهد فعل وإرساله إلى الجهاز العصبي المركزي عبر الحبل الشوكي (أحمر عند 1 أ ).
لإنشاء مستقبلات اصطناعية مماثلة ، تم استخدام محولات الضغط القائمة على الذهب و PDMS التي تقوم بالتبديل بين حالات المقاومة المنخفضة (LRS) والمقاومة العالية (HRS) مع وبدون الضغط المطبق لمحاكاة جسم Pacini ( 1b و 1c ).
لتقليد سلوك المستقبلات الحرارية ومستقبلات الألم ، تم استخدام انتقال طور VO 2 ، والذي يمكن أن ينتقل من HRS في درجة حرارة الغرفة إلى LRS عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة الانتقال (68 درجة مئوية).
بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام ذاكرة التبديل المقاومة STO (تيتانات السترونتيوم) كعنصر لصنع القرار لتقييم مستويات العتبة.
بالنسبة لجسم Pacini الاصطناعي ، عندما لا يكون هناك ضغط يمكن اكتشافه ، فإن التيار من خلال memristor القرار (I 1 ) غير كافٍ بسبب جهد التحيز لبدء استجابة المحرك ( 1b ). عند تطبيق الضغط ، يدخل جهاز الإرسال في وضع HRS ، مما يحجب I 2 ، مما يسمح بتدفق أقصى تيار عبر memristor. نظرًا لارتفاع I 1 ، يتحول memristor المستند إلى STO إلى LRS. وبالتالي ، يتدفق تيار أعلى عبر الجسم ، مما يؤدي إلى تفاعل حركي ( 1 ج ).
في حالة المستقبلات الحرارية ومستقبلات الألم VO 2يمكن أن تظهر تغيرًا في المقاومة من ثلاثة إلى أربعة أوامر من حيث الحجم عند درجة حرارة التقاطع. إذا كانت درجة الحرارة أقل من درجة حرارة الوصلة ، فإن VO 2 يكون عازلًا.
وبالتالي ، تتدفق كمية صغيرة من التيار عبر المستقبل ، والجهد الذي يظهر على الميمريستور لا يكفي لتشغيله ( 1d ). عند الوصول إلى درجة حرارة الوصلة ، يتحول VO 2 إلى LRS ، ونتيجة لذلك تظهر إمكانات أعلى على memristor ، مما يؤدي إلى التحول إلى LRS. عندما يكون كل من VO 2 و STO في LRS ، يتدفق تيار متزايد عبر المستقبل ( 1e ).
الجسم الاصطناعي لباتشيني
بعد إنشاء مفهوم الجهاز المستقبلي ، بدأ العلماء في التنفيذ التدريجي. في المرحلة الأولى ، تم إنشاء جسم Pacini اصطناعي ، حيث تم استخدام memristor على أساس STO الذي يعاني من نقص الأكسجين مع بنية كومة: Pt (100 نانومتر) / Ti (10 نانومتر) / STO (55 نانومتر) / Pt (25 نانومتر) / Ti (7 نانومتر) وركيزة SiO 2 .
يتم استخدام طبقة Ti السفلية كطبقة لاصقة للطبقة السفلية من Pt ، ويتم استخدام طبقة Ti العلوية كخزان أكسجين وأيضًا كطبقة لاصقة للطبقة العليا Pt. تأخذ الطبقة حزب العمال أقل جزء في عملية التحول، في حين يخدم واحدة العلوي كمادة خاملة أن يمنع تيو 2 من التعرض للأكسجين المحيطة.
إن بنية محول الضغط مستوحاة من جسم Pacini البيولوجي ، وهو حلزوني الشكل بعرض مسار يبلغ 100 ميكرون. قطر الملف بأكمله 7.8 مم. لإنشاء جهاز استشعار ، تم ترسيب Au (200 نانومتر) / Cr (20 نانومتر) على PDMS بسمك 300 ميكرون.
الصورة # 2 تظهر
الصورة 2 أ مكافئًا اصطناعيًا لجسم صغير مع دمج ميمريستور ومستشعر ضغط.
تعمل شبكة مستشعر الضغط بطريقة تسمح للمستقبل بتنشيط الميمريستور ، الذي يعمل كمكون لصنع القرار.
في الأنظمة البيولوجية ، عندما يتم الوصول إلى إمكانات مستقبلية كافية ، يمكن لمكون صنع القرار أن يخلق دفعة كهربائية لتنشيط محرك الجهاز العصبي المركزي. لتكرار هذه الوظيفة مع قيمة حدية محددة ، فإن مستشعر الضغط مطلوب لاستشعار نطاق معين من قيم الضغط. لتبسيط إظهار كفاءة النظام ، قرر العلماء تبسيط هذه النقطة إلى قيمتين فقط: يوجد ضغط قوي ولا يوجد ضغط على الإطلاق.
تم اختيار مقاومة ثابتة تبلغ 100 كيلو أوم للحد من التيار عبر شبكة مستشعر الضغط ، والتي لها مقاومة 0.6 كيلو أوم فقط. هذا يضمن أن يظهر النظام تيارًا منخفضًا جدًا في حالة عدم وجود ضغط. الشكل 2 بيظهر استجابة وتكرار محول ضغط مستقل.
عند تطبيق الضغط ، ينتقل محول الضغط إلى HRS بمقاومة حوالي 1 GΩ بسبب التشوه والشقوق ، وهي شائعة جدًا مع محولات الطاقة القائمة على PDMS. يمكن أن تؤدي التشوهات والشقوق إلى تدهور أداء محول طاقة الضغط بعد دورات متعددة ، ولكن هذا لا يمنع عرض مفهوم المحول الاصطناعي نفسه. عند تحرير الضغط ، يتم إغلاق الفجوات المتشققة مرة أخرى ، مما يؤدي إلى إنشاء LRS ، مما يتسبب في عودة المستشعر إلى حالته الأصلية.
لوحظ نمط مشابه في المستشعرات البيولوجية ، والتي تتشوه أيضًا ، مما يؤدي إلى تحول الأيونات الكيميائية عند تطبيق الضغط.
وتجدر الإشارة إلى أن مكون القرار الذي يتكون من عنصر STO memristor يجب أن يتم تشكيله كهربائيًا مبدئيًا عن طريق تطبيق جهد متحيز بتيار منخفض جدًا قدره 1 μA على الأقطاب الكهربائية العلوية والسفلية. تخلق هذه المرحلة قناة محلية لتشكيل خيوط موصلة من خلال STO. بعد ذلك ، يلزم إجراء مسح للجهد لتبديل الجهاز بين حالات HRS و LRS.
من المهم أيضًا ، بدون الضغط المطبق ، أن التيار المتدفق عبر memristor غير كافٍ لتبديله. ومع ذلك ، عند تطبيق الضغط ، يدخل المستشعر الذي يحتوي على الفرع في حالة HRS ، مما يؤدي إلى أقصى إمكانات للمستقبل على memristor ( 1 ثانية). عندما يتم الوصول إلى عتبة إمكانات المستقبل ، ينتقل memristor الذي يتخذ القرار من حالة HRS إلى حالة LRS ( 2c ). في هذه الحالة ، فإن التسلسل المطبق 0 → +0.85 V → 0 → 1.12 V → 0 يحول الجهاز إلى حالة LRS للدورة الإيجابية وإلى حالة HRS للدورة النصفية السلبية ( 2d و 2e ).
لتحويل الجهاز إلى LRS ، يتم أخذ نصف الدورة الإيجابية فقط في الاعتبار. وفقًا للصورة 2 د ، عندما لا يتم تطبيق أي ضغط ، فإن دائرة مستشعر الضغط لديها مقاومة إجمالية تبلغ 100.6 كيلو أوم ، في حين أن مكون القرار الموازي (memristor) لديه مقاومة 70 كيلو أوم. وبالتالي ، فإن المقاومة المكافئة لكامل جسم Pacini هي 41.2 kΩ.
تمرر هذه المقاومة المكافئة تيارًا لا يتجاوز 0.02 مللي أمبير عبر الدائرة بأكملها ، والتي يمكن اعتبارها حالة استرخاء. يؤدي تطبيق الضغط إلى تحويل دائرة مستشعر الضغط إلى مقاومة عالية للغاية تبلغ 1 G ، بينما تبلغ مقاومة memristor حوالي 2.5 كيلو أوم فقط ، مما يغير المقاومة المكافئة لكامل جسم Pacini بنحو 2.5 كيلو أوم. تسمح حالة المعاوقة المنخفضة هذه بتيار 0.35 مللي أمبير في جميع أنحاء الدائرة بأكملها.
وبالتالي ، فإن منبه الضغط يولد إشارة استجابة تزيد 18 مرة عن حالة الاسترخاء ، مما يسمح للجهاز العصبي المركزي ببدء استجابته الحركية. بعد اكتمال استجابة المحرك ، يمكن تطبيق قطبية عكسية على memristor باستخدام أقطاب كهربائية غير مستخدمة لتهيئة جسم Pacini.
مستقبلات حرارية اصطناعية
لإنشاء مستقبلات حرارية في قاعدة memristor ، تم استخدام نفس بنية المكدس كما هو الحال في جسم Pacini الصغير ، أي عازل معدني - معدن (MIM).
الصورة №3
الجزء العلوي من الإلكترون المستخدم مع سطح VO 2 ( 3 أ و 3 ب ) للتوصيل المتسلسل لجهاز استشعار حراري. لإزاحة الجهاز بأكمله ، تم ترسيب طبقة القطب الكهربائي Pt (100 نانومتر) / Ti (10 نانومتر) على سطح VO 2 . تم الحفاظ على مسافة كبيرة من 100 ميكرومتر بين القطب الأولي وقطب ميمريستور العلوي.
في الصورة 3 جيوضح مخطط اتصال المستقبلات الحرارية ، حيث يتم تطبيق التحيز من خلال المعدن على المستشعر الحراري ، ويتم توصيل الأرض (GND في الرسم التخطيطي) بالإلكترود السفلي للميمريستور الذي يتخذ القرار. يوضح
الرسم البياني ثلاثي الأبعاد المقاومة مقابل منحنى درجة الحرارة لانتقال المعدن العازل على فيلم رقيق VO 2 . من الواضح ، عندما يتم الوصول إلى درجة حرارة الانتقال ، تنخفض المقاومة بمقدار أربعة أوامر من حيث الحجم. لوحظ التباطؤ الحراري الواضح أيضًا في دورات التدفئة والتبريد. كما وجد أنه لا يوجد تأثير ملحوظ لدرجة الحرارة على التبديل المقاوم ( 3 هـ ).
يمكن أن يشير memristor إلى التغيير في المقاومة من 100 kΩ إلى 2 kΩ أثناء عملية التبديل. ومع ذلك، فقد تقرر إجراء تحليل أكثر وضوحا للنظر في مقاومة الدولة HRS إلى 93 أوم، والمقاومة للدولة LRS إلى 9 أوم في 80 بالسيارات قراءة الجهد (V READ )، منذ في هذا الجهد نسبة الحد الأقصى التحول R OFF / R ON لوحظ . كان تسلسل تبديل الجهد للجهاز غير المتصل النهائي: 0 → +0.65 V → 0 → 0.80 V → 0. عندما يتم تطبيق نفس التسلسل على مستقبلات الحرارة بأكملها ، تنخفض المقاومة وبالتالي يزيد تيار المستقبل مع زيادة درجة الحرارة ( 3f ).
لتوفير جهد التحويل المطلوب ، تم الحفاظ على درجة حرارة جهاز الاستقبال عند 70 درجة مئوية. هذا للتأكد من أن VO 2 في حالة LRS. ثم يؤدي تطبيق جهد انحياز من 0 إلى 2 فولت إلى ضبط الجهاز تمامًا وإعادة ضبطه ( 4 أ ).
الصورة رقم 4
لاتخاذ memristor قرارًا ، تكون المقاومة الأولية لـ 93 kΩ أقل بكثير من HRS للمستشعر الحراري ، وهو 11 MΩ. وبالتالي ، فإن الجهد الجزئي الذي يظهر في memristor القرار لا يمكن أن يصل إلى عتبة VSET لتحويله من HRS إلى LRS. لذلك ، يكون كل من المستشعر الحراري والميمريستور في حالة HRS ، مما يسمح بحد أدنى للتيار بالتدفق عبر المستقبلات الحرارية [ 4b (i) ].
عندما يتم تطبيق درجة حرارة حرجة تبلغ 70 درجة مئوية ، تنخفض مقاومة مستشعر درجة الحرارة بأربعة أوامر من حيث الحجم ، ويزداد الجهد الجزئي للميمريستور تدريجياً إلى جهد SET مع زيادة استجابة المستقبل [ 4b (ii) ]. بمجرد تشغيل VSET على memristor ، ينتقل إلى LRS من HRS بمقاومة 9 kΩ [ 4b (iii) ].
في هذه المرحلة ، يتم تشكيل أقصى استجابة للمستقبل. ستستمر ذاكرة LRS لفترة طويلة حتى إذا تم تعطيل التحفيز الحراري تمامًا. لإعادة برمجة memristor ، يمكن للجهد السالب VRESET نقله من LRS إلى HRS [ 4b (iv) ]. لهذا ، يمكن تطبيق الجهد السالب من الأقطاب الكهربائية غير المستخدمة ( 3c ).
مستقبلات الألم الاصطناعية
من الآمن أن نقول إن مستقبلات الألم تختلف اختلافًا كبيرًا عن نظيراتها. توجد مستقبلات الألم في جميع أنحاء جسم الإنسان وتقع في نهاية محور العصبون الحسي.
لتجنب التعرض للمنبهات الضارة ، يستجيب مستقبلات الألم بطريقتين: طبيعي وغير طبيعي.
في ظل الظروف العادية ، عندما يتلقى العصب المنتهي في الجلد منبهًا ضارًا ، يتم إرسال إشارة استجابة إلى مستقبلات الألم لمقارنة ما إذا كانت الإشارة تتجاوز قيمة عتبة معينة ولتحديد ما إذا كان يلزم إنشاء جهد فعل للجهاز العصبي المركزي. في هذه الحالة الطبيعية ، يتم إيقاف تشغيل مستقبلات الألم ببطء لفترة تعرف باسم عملية الاسترخاء. من خلال استخدام هذه العتبة وعملية الاسترخاء ، فإن مستقبلات الألم تعزل الجسم عن أي محفز حرج ومستمر غير مرغوب فيه.
تحدث استجابة غير طبيعية عندما يواجه الجسم محفزات قريبة من عتبة الضرر الذي يلحق بمستقبلات الألم ، وفي هذه الحالة ، يعمل مستقبل الألم كمستقبل طبيعي لتجنب المزيد من الضرر. إذا استمرت الإصابة ، فإن ضعف الأنسجة المصابة يزيد. يتكيف نظام مسبب للألم مع هذا الضعف المتزايد عن طريق خفض عتبة مسبب للألم محليًا وتسهيل استجابة مسبب للألم ، وبالتالي توفير حماية كافية للأنسجة.
يُظهر مستقبل الألم سلوكين متميزين في ظل ظروف غير طبيعية: الآلام الخيفية وفرط التألم.
يستجيب Allodynia عند عتبة أقل ، بينما ينتج عن فرط التألم استجابة أقوى عند تجاوز العتبة ، مما يشير إلى عدم وجود عتبة للألم في الحالة غير الطبيعية.
لمراقبة سلوك المستقبلات الحرارية الاصطناعية في ظل الظروف العادية ، والتي تعمل كمستقبل للألم أثناء المحفزات الضارة ، تم تحويل الجهاز إلى LRS وتمت قراءة القراءة عند V READ تبلغ 80 مللي فولت.
نظرًا لأن استجابة مستقبلات الألم البيولوجية تعتمد بشكل كبير على شدة التحفيز ، فقد تعرض مستقبل الألم الاصطناعي لسلسلة من محفزات درجة الحرارة بكثافة مختلفة في النطاق من 66 إلى 82 درجة مئوية ( 5 أ ).
الصورة رقم 5 يوضح
الرسم البياني 5 ب إشارة الاستجابة بالنسبة لشدة التحفيز الحراري المطبق. وتجدر الإشارة إلى أن مستقبلات الألم لا تعمل حتى تصل درجة الحرارة إلى 68 درجة مئوية ، وهي درجة حرارة الانتقال لـ VO المستخدم2 . وبالتالي ، عندما يخطئ VO 2 LRS بسبب الانتقال الناجم عن درجة الحرارة ، يبدأ تيار عالٍ في التدفق عبر الدائرة. يشبه هذا الأمر الأنظمة البيولوجية التي يولد فيها مستقبل الألم جهد فعل يحفز الدماغ عندما تصل قوة المنبه إلى قيم أعلى من القيمة الحرجة.
تؤدي الزيادة الإضافية في شدة التحفيز فوق القيمة الحدية إلى زيادة التيار ، وهو ما يتوافق أيضًا مع استجابة التناظرية البيولوجية: كلما زادت شدة التحفيز ، زادت كثافة الاستجابة. يوضح الرسم البياني 5 ج محفزات التسخين والتبريد والاستجابة المقابلة عند 68 درجة مئوية.
الرسم البياني 5 ديُظهر توهين إشارة الاستجابة بمرور الوقت بعد إيقاف المنبه الضار ، أي عملية استرخاء يتم تحديدها بواسطة VO 2 ، حيث لا يوجد تأثير لدرجة الحرارة على memristor القائمة على STO.
نظرًا لميل مقاومة VO 2 إلى الزيادة مع انخفاض درجة الحرارة بمرور الوقت ، فإن مستقبلات الألم الاصطناعية تحد من التيار عبر الدائرة ، وبالتالي لوحظ انخفاض في شدة إشارات الاستجابة.
تتطلب الاستجابة الأقوى بسبب المنبهات الأعلى وقتًا أطول نسبيًا للاسترخاء التام. على سبيل المثال ، تستغرق الاستجابة عند 68 درجة مئوية 100 ثانية للوصول إلى تيار أساسي يبلغ 0.5 ميكرو أمبير ، بينما لا يمكن أن تسترخي الاستجابة عند 80 درجة مئوية تمامًا في 100 ثانية.
لمراقبة سلوك الجهاز في ظل ظروف غير طبيعية ، تم تطبيق محفز على مستقبلات الألم الاصطناعية ، والتي كانت شدتها أعلى بكثير من الظروف العادية.
تم تسخين مستقبلات الألم إلى 90 درجة مئوية بمعدل 20 درجة في الدقيقة وتبريدها إلى 60 درجة مئوية ، وهو أقل من قيمة العتبة (68 درجة مئوية) في ظل الظروف العادية.
تبع ذلك إعادة التسخين من 60 إلى 90 درجة مئوية ، وهو أمر ضروري لتحديد وجود / غياب توليد عتبة منخفضة واستجابة محسّنة ، وهي الخصائص الرئيسية للألم وفرط التألم.
تم تطبيق التسلسل 60 → 90 → 60 → 90 على جزء VO 2 من المستقبل وعلى المستقبل بأكمله الذي يحتوي على VO 2 ومكدس عازل معدني ( 6 أ ).
الصورة رقم 6
توضح الرسوم البيانية بوضوح أن إشارة الاستجابة تكون أكثر خطية في VO 2 ( 6a ) مقارنة بإشارة مستقبلات الألم بأكملها ( 6b ). هذا أمر متوقع ، حيث أنه عند كثافة التحفيز العالية يكون VO 2 في حالة شبه معدنية بمقاومة منخفضة نسبيًا تبلغ 5 كيلو أوم بعد الانتقال. علاوة على ذلك ، فإن انحياز VREAD المطبق (80 مللي فولت) يضبط كهربائيًا الجهد VO 2 ليجعله أكثر معادن ، مما يؤدي إلى استجابة خطية.
في الوقت نفسه ، عندما يظهر تحيز V READ مماثل عبر مستقبلات الألم بأكملها ، يحدث انخفاض الجهد الأقصى عبر memristor ، والذي يكون في حالة LRS (9 kΩ). في هذه المرحلة ، الجهد عبر VO2 لا يكفي لإظهار استجابة خطية. لذلك ، هذا السلوك غير خطي. يوضح
الشكل 6 ج السلوك في الآلام وفرط التألم. في النظام البيولوجي ، تكون شدة الاستجابة أعلى في حالة غير طبيعية لشدة التحفيز تحت العتبة الفرعية (ألم الألم) وشدة التحفيز (فرط التألم). يظهر
يوم 6 د استجابة فيما يتعلق بدورتين من تسلسل التسخين بتسلسل 60 - 90 - 60 - 90 درجة مئوية. هنا يمكنك أن ترى أن الاستجابة لدورة التسخين الثانية تزداد ، ويتم تقليل الحد الأدنى.
يُظهر سلوك المستقبل الاصطناعي بوضوح أرقًا أقل من شدة العتبة وفرط التألم فوق شدة العتبة (70 درجة مئوية). ويترتب على ذلك أنه من خلال خفض العتبة وزيادة شدة الاستجابة ، ينشط مستقبل الألم ويعزز ردود الفعل الدفاعية ، مثل الانسحاب أو تجنب المنبهات المؤلمة الحادة.
عرض لمبدأ تشغيل المكافئ الإلكتروني لجسم باتشيني الصغير.
لمعرفة أكثر تفصيلا مع الفروق الدقيقة في الدراسة، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء و مواد إضافية لذلك.
الخاتمة
يعد دماغ الإنسان أحد أكثر الأنظمة البيولوجية تعقيدًا. لكن لا يمكن لأحد أن ينكر حقيقة أن جلد الإنسان ليس أقل تعقيدًا ، خاصة بالنظر إلى القائمة الكبيرة من الوظائف التي يؤديها.
ليس من الصعب إعادة إنشاء بعض وظائف الجلد بمكافئ اصطناعي ، ولكن فيما يتعلق بالمستقبلات التي تجمع معلومات عن البيئة ، فلن تعمل إذا جاز التعبير.
ومع ذلك ، فقد تمكن العلماء من تحقيق بعض النتائج في إنشاء مستقبلات اصطناعية تلتقط الضغط ودرجة الحرارة والألم.
وفقًا لمؤلفي هذا العمل ، فإن أجهزتهم قادرة على التمييز بين اللمسة الخفيفة ، على سبيل المثال ، وخز الإبرة. للوهلة الأولى ، هذه أشياء شائعة جدًا ، لكن هذه الدقة في السابق لم تكن موجودة في المستقبلات الإلكترونية.
في المستقبل ، يعتزم العلماء ، بطبيعة الحال ، مواصلة عملهم من أجل توسيع نطاق المحفزات الخارجية المتصورة ، مما يجعل أجهزتهم أكثر دقة. سوف تجد مثل هذه التطورات بالتأكيد تطبيقها ليس فقط في الأطراف الصناعية ، ولكن حتى في الروبوتات.
شكرًا لاهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بعطلة نهاية أسبوع رائعة يا رفاق! :)
قليلا من الدعاية
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المحتويات الشيقة؟ ادعمنا من خلال تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، VPS السحابي للمطورين من 4.99 دولارًا ، وهو تناظرية فريدة من الخوادم على مستوى المبتدئين التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 مراكز) 10 جيجابايت DDR4 480 جيجابايت SSD 1 جيجابت في الثانية من 19 دولار أو كيفية تقسيم السيرفر بشكل صحيح؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 وما يصل إلى 24 مركزًا وذاكرة DDR4 تصل إلى 40 جيجابايت).
هل Dell R730xd 2x أرخص في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تيرا بايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية للمبنى. فئة مع خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل فلس واحد؟