'Bionic finger' lager 3D-kart over menneskelig vev

'Bionic finger' lager 3D-kart over menneskelig vev

Tidsstempel: 24. mars 2023 5:50

Forskere fra Wuyi universitetet i Kina har utviklet en smart bionisk finger som er i stand til underjordisk taktil tomografi. Mens tidligere kunstige sensorer bare kunne gjenkjenne eksterne funksjoner, kan det nye systemet identifisere de interne formene og teksturene til komplekse lagdelte objekter ved å berøre deres ytre overflater. Den overfører deretter overflate- og undergrunnsdata til en datamaskin for å lage 3D-kart.

Denne evnen varsler fremtidens bruk av smarte bioniske fingre i diagnostisk bildebehandling, som en erstatning for eller supplement til ultralyd- eller røntgenundersøkelser.

"Vi ble inspirert av menneskelige fingre, som har den mest følsomme taktile oppfatningen vi vet om," sier seniorforfatter Jianyi Luo. "Når en finger berører et menneskelig bryst, kan den føle omrisset av beinet så vel som det myke vevet over det."

Forskerne forklarer at når huden til en menneskelig finger berører noe, gjennomgår den mekanisk deformasjon som kompresjon, strekking eller drag. "Disse deformasjonene stimulerer mekanoreseptorer til å sende ut elektriske impulser. De elektriske impulsene går gjennom sentralnervesystemet til hjernens somatosensoriske cortex og blir til slutt integrert av hjernen for å gjenkjenne egenskapene til materialet», skriver de.

Inspirert av denne prosessen designet teamet den smarte bioniske fingeren ved å bruke karbonfiberbjelker som mekanoreseptorer.

Den bioniske fingeren beskrevet i Cell Rapporter Fysisk Vitenskap består av en bunt karbonfiber med en 0.5 mm diameter metallsylinder montert på toppen som kontaktspiss. Fibrene kobles til en signalbehandlingsmodul, som inneholder signalinnsamlings- og kontrollermoduler som kombineres med sensoren for å etablere et taktilt tilbakemeldingssystem.

Den bioniske fingeren skanner et objekt ved å legge press på overflaten, og oppdager både ytre og indre strukturer mens den beveger seg. Den måler graden av kompresjon av en overflate, som gir informasjon om den relative mykheten eller stivheten til objektet som berøres. Den bioniske fingeren kan oppnå en romlig oppløsning på minst 500 µm i x og y fly og 200 µm i z akseretning.

Luo, og co-hovedetterforskerne Zhiming Chen og Yizhou Li, utførte en serie undersøkelser ved å bruke den bioniske fingeren for å undersøke komplekse objekter. En test inkluderte gjenkjennelse av en stiv bokstav "A" begravd under et mykt ytre lag av silisium. De testet også den bioniske fingeren med et simulert menneskeskjelett bestående av et mykt silisium-"hud"-lag, et "muskel"-lag, et lag som inneholder simulerte blodkar og harde polymerskjelett-"bein".

Den bioniske fingeren reproduserte nøyaktig vevsstrukturen og lokaliserte en simulert blodåre under muskellaget. Forskerne anbefaler at forbedring er nødvendig med hensyn til å rekonstruere blodårer med større presisjon og for å gjøre fingeren i stand til å gjenkjenne mer komplekse 3D-strukturer.

Forskerne undersøkte også den bioniske fingerens evne til å diagnostisere problemer i elektroniske enheter. Etter at fingeren skannet overflaten til et innkapslet fleksibelt kretssystem, brukte de dataene til å lage et 3D-kart over dets interne elektriske komponenter. Enheten plasserte nøyaktig der kretsen ble frakoblet, og identifiserte et feilboret hull uten å bryte gjennom det innkapslende laget.

"Vi prøver for øyeblikket å inkorporere den bioniske fingeren i roboter eller proteser, fordi vi ønsker å undersøke bruken av den i robot- og biomedisinsk teknikk," forteller Chen Fysikkens verden. "Vi utvikler den bioniske fingeren med evnen til omnidireksjonell deteksjon på vilkårlige overflater og forbedrer dens følsomhet og oppløsning."

Fremtidige kliniske anvendelser, foreslår Chen, kan inkludere bruk av den bioniske fingeren for å hjelpe leger med å diagnostisere klumper under huden, for eksempel de som er forårsaket av brystkreftlesjoner. "En bionisk forbrukerfinger kan være som en blodtrykksmåler hjemme, som oppdager noe i kroppen som ikke er normalt, men med evnen til å overføre data til en lege for evaluering og diagnose," legger han til. "Vi forventer at det også vil være et utmerket verktøy for ikke-invasiv industriell eller forskningstesting."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden