دریافت حس لامسه توسط سیستم عصبی دست های رباتیک
برای شخصی که از داشتن پا یا دست محروم است، از دست دادن حس لامسه می‌تواند بسیار دردناک باشد. با این کهپروتز‌های پیچیده با انگشت‌های و مفصل‌های پیچیده‌ی حرکتی برای شبیه‌سازی تقریبی تمام حرکت‌های دست در دسترس هستند؛ اما برای کاربر به شکل ناامید‌کننده‌ای غیرطبیعی هستند. دلیل این مسئله، عدم تجربه‌ی لامسه‌ای است که قادر به هدایت تمام حرکت‌ها باشد. این خلاء احساسی منجر به استفاده‌ی محدود یا رها کردن کامل این دستگاه‌های مصنوعی بسیار گران‌قیمت می‌شود. پس چرا نباید پروتزی ساخت که بتواند محیط خود را کاملا «احساس» کند؟
پاسخ به این سؤال همان چیزی است که یک تیم میان‌رشته‌ای از دانشمندان دانشگاه آتلانتیک فلوریدا و دانشکده‌ی پزشکی دانشگاه یوتا به دنبال آن هستند. آنها در حال توسعه‌ی اولین نوع دست رباتیک مهندسی پزشکی هستند که قابلیت رشد و تطبیق با محیط را دارد. این ربات زنده مجهز به یک سیستم عصبی محیطی است که به‌صورت مستقیم حسگرهای رباتیک و محرک‌ها را به یکدیگر وصل می‌کند. کالج مهندسی و علوم کامپیوتر FAU به هدایت یک تیم چندرشته‌ای می‌پردازد که برای پروژه‌ای تحت عنوان پروتز عصبی مجازی: بازگشت استقلال حرکتی به افرادی که از آسیب‌های عصبی رنج می‌برند، یک وام ۱.۳ میلیون‌دلاری چهارساله را از مؤسسه‌ی ملی پردازش تصویر پزشکی و مؤسسه‌ی ملی سلامت دریافت کرده است.
تیم پژوهشی، با تخصص در زمینه‌های رباتیک، مهندسی پزشکی، علوم رفتاری، بازسازی عصبی، الکتروفیزیولوژی، دستگاه‌های میکروسیال و جراحی ارتوپد در حال ساخت یک وسیله‌ی زندگی از حس لامسه‌ی ربات به مغز کاربر است تا بدین وسیله در کنترل دست رباتیک به شخص نقص عضوشده کمک کند. یک پلتفرم پروتز عصبی به آنها اجازه می‌دهد به بررسی همکاری نورون‌ها و رفتار به‌منظور بازسازی حس لامسه در یک ران مصنوعی بپردازند.
این دست که توسط انسان کنترل می‌شود می‌تواند تغییرات فشار را حس کند، اطلاعات دریافتی را پردازش کرده و با اشیای مختلف ارتباط برقرار کند
تمرکز اصلی این پروژه بر دست و بازوی رباتیک پیشرفته است که در آزمایشگاه BioRobotics کالج مهندسی و علوم کامپیوتر FAU توسعه یافته است. دست رباتیک مثل انگشت‌های انسان مجهز به دریافت‌کننده‌های متعدد حسگر است که نسبت به تغییرات محیط واکنش نشان می‌دهند. این دست که توسط انسان کنترل می‌شود، می‌تواند تغییرات فشار را حس کند، اطلاعات دریافتی را پردازش کرده و با اشیای مختلف ارتباط برقرار کند. این دست بر اساس وزن یا شکنندگی یک جسم به تطبیق فشار لازم برای برداشتن یا گرفتن اشیا می پردازد. اما چالش اصلی آن محاسبه‌ی چگونگی ارسال اطلاعات به مغز با استفاده از مسیرهای عصبی و جایگذاری اعصاب آسیب دیده یا تخریب‌شده براثر آسیب است. به گفته‌ی اریک اینگبرگ، محقق اصلی و استادیار دانشکده‌ی مهندسی مکانیک و اقیانوس FAU و رییس آزمایشگاه بیوروباتیک FAU:
وقتی یک عصب محیطی قطع شده یا آسیب می‌بیند، از توان الکتریکی قوی استفاده می‌کند که گیرنده‌های لمسی از آن برای بازیابی خود استفاده می‌کنند. هدف ما بررسی نحوه‌ی کمک حسگرهای انگشت به بازسازی اعصاب آسیب‌دیده یا تخریب شده است. برای رسیدن به این هدف، به‌طور مستقیم این اعصاب زنده را در محیط آزمایشگاه به یکدیگر وصل می‌کنیم و سپس به‌صورت الکتریکی به شبیه‌سازی آنها بر اساس یک مبنای روزانه با حسگرها می‌پردازیم تا در حین کنترل دست توسط فرد نقص عضو، به بررسی نحوه‌ی رشد و بازسازی اعصاب بپردازیم.
برای این بررسی، نورون‌ها در پتری دیش‌ها نگه‌داری نشدند. در عوض، در محفظه‌های میکروسیال قرار گرفتند که با تقلید از عملکرد اصلی سلول‌های زنده به تغذیه‌ی محیط می‌پردازند. سارا ای دو، یکی از پژوهشگرهای اصلی و استادیار دانشکده‌ی مهندسی مکانیک و اقیانوس در FAU و کارشناس رشته‌ی نوظهور میکروسیال‌ها به توسعه‌ی محفظه‌های مصنوعی سفارشی با میکروالکترودهای تعبیه‌شده پرداخته است. تیم پژوهشی قادر به شبیه‌سازی نورون‌ها با ضربه‌های الکتریکی دست ربات بود تا بدین شکل به بازسازی پس از آسیب کمک کند. آنها بر اساس ریخت‌شناسی به محاسبه‌ی زمان واقعی، حجم بازیابی‌شده‌ی بافت عصبی می‌پردازند.
جیانینگ وی، یکی از پژوهشگران این پروژه و استادیار علوم پزشکی در کالج پزشکی چارلز ای FAU و کارشناس بازسازی آسیب‌های عصبی به آماده‌سازی نورون‌ها در آزمایشگاه می‌پردازد و بر رشد و نحوه‌ی انتقال و بازسازی آنها پس از آسیب نظارت می‌کند. روش «مجازی» فرصت‌های تست زیادی را در اختیار تیم پژوهشی قرار می‌دهد و بدون آسیب رساندن به سوژه‌ها به تست مجدد اعصاب می‌پردازد.
امانوئل توگنولی پرفسور و محقق همکار، استادیار مرکز سیستم‌های پیچیده و علوم مغزی کالج چارلز اشمیدت و کارشناس فیزویولوژی الکتریکی و علوم شناختی و رفتاری عصبی، هم به بررسی نحوه‌ی انتقال اطلاعات لامسه از حسگرهای رباتیک به مغز می پردازد؛ این کار به تشخیص بازیابی عملکرد موفق حس لامسه از عملکرد ناموفق کمک می‌کند. هدف او پاسخ به این سؤال است: رفتار چگونه به بازیابی اعصاب کمک می‌کند و بازیابی اعصاب به‌نوبه‌ی خود چگونه به رفتار کمک می‌کند.
با ورود ضربه‌های عصبی حسگرهای لمسی ربات در محفظه‌ی میکروسیال، این ضربه‌ها برای هدایت دست رباتیک به کاربر انسانی بازگردانده می‌شوند. این کار با یک دستگاه ویژه انجام می‌شود؛ به‌طوری که سیگنال دریافتی از محفظه‌های میکروسیال را در قسمت سردست که روی بخشی از بازوی ناقص قرار گرفته، به فشار قابل کنترل تبدیل می‌کند. به این صورت کاربران متوجه فشرده‌سازی بیش از حد یا شل گرفتن دست می‌شوند.
با ورود ضربه‌های عصبی حسگرهای لمسی روبات در محفظه‌ی میکروسیال، این ضربه‌ها برای هدایت دست روباتیک به کاربر انسانی بازگردانده می‌شوند
اینگبرگ هم با داگلاس تی هاچینگوسن، محقق و استاد دانشکده‌ی ارتوپدی دانشگاه یوتا همکاری می‌کند که تخصص او در زمینه‌ی جراحی ارتوپد و دست است. آنها در حال توسعه‌ی یک مجموعه از وظایف و شاخص‌های عصبی رفتاری از عملکرد هستند که در نهایت نحوه‌ی بهبود حس لامسه‌ی سالم در اعضای ناقص و افرادی را نشان می‌دهند که می‌توانند از این دستگاه‌ها استفاده کنند. تیم پژوهش هم در حال حاضر به دنبال یک پژوهشگر فوق دکترا با سابقه‌ی کار چندرشته‌ای است که در این پروژه‌ی توسعه با آنها همکاری کند.
به گفته‌ی استلا باتالاما، استاد دانشکده‌ی مهندسی و علوم کامپیوتر:
مؤسسه‌های ملی سلامت با تمرکز بر یک چالش مهم که بر میلیون‌ها فرد در سراسر جهان تأثیر می‌گذارند، به یاری تیم چندرشته‌ای آمده‌اند. با فراهم کردن درک بهتری از روش ترمیم آسیب‌های عصبی می‌توانیم در بازیابی عملکرد حرکتی پس از نقص عضو به بیماران کمک کنیم. این پژوهش هم برای افرادی که از شکل‌های دیگر آسیب عصبی مثل سکته و آسیب‌های نخاعی رنج می‌برند، کاربردهای وسیعی را ارائه می‌دهد.
مراحل اولیه‌ی این پروژه تحت پشتیبانی مؤسسه‌ی سیستم‌های شبکه‌ای و ادراک تعبیه‌شده (FAU (I-SENSE قرار گرفته است. محققان هم با موسسه‌ی I-SENSE و موسسه‌ی مغز FAU همکاری می‌کنند، دو قطب تحقیقاتی دانشگاه که بر نقاط قوت سازمان تأکید می‌کنند.
