Bilgiustam
Türkiye'nin Bilgi Sitesi

Yapay Duyu Siniri Çalışmaları

0 53

Hiç tek bacağı veya kolu olan birisiyle tanıştınız mı? Sadece ABD‘de her yıl tahmini 185.000 kişi amputasyon işlemlerinden geçmektedir ve bunun başlıca nedeni damar hastalıklarıdır. Tıbbi cihazlardaki gelişmeler sayesinde, kayıp uzuvların bazı işlevleri yapay kollar, bacaklar veya protezlerle geri kazanılabilir. Protez bacaklı insanlar kolayca yürüyebilir, koşabilir, dans edebilir ve protez elleri olan kişiler parmak ile iyi kavrarken, koordineli bir şekilde kontrol edebilir.
Bununla birlikte, mevcut protezler doğal uzuvların önemli bir yönünden yoksundur ve bunlar insan derisinin dokunsal duyularıdır. Stanford Üniversitesi ve Seul Ulusal Üniversitesi’nden bilim adamları yapay bir sinir geliştirmişlerdir. Bu yapay sinir dokunulduğunda hissedebilir ve biyolojik kasları kontrol etmek için sinyali iletir. Protezlerle yaşayan insanlar için, bu gelişme kayıp dokunma duygusunu geri kazanabilecekleri veya engelli uzuvların kontrolünü kazanabilecekleri anlamına gelmektedir.

Biyolojik Duyu Sinirleri

Duyusal sinirler dış dünyadan omurilik ve beyne bilgi taşır. Özellikle, dokunma hissini algılama yeteneği, ciltte bulunan mekanoreseptörler olarak adlandırılan bir tür duyu siniri ile sağlanır. Cilde basınç uygulandığında, mekanik alıcılar elektrik voltajlarını değiştirerek tepki verir (yani, elektrik enerjisinin bir ölçüsü). Birden fazla mekanik alıcıdan gelen voltajlar birleştirilir ve tek bir nörona veya sinir hücresine iletilir. Belirli bir voltaj eşiğinde, nöron, sinapslar adı verilen kavşaklar aracılığıyla diğer nöronlara iletilen tekrarlayan elektriksel darbeler üretir ve sonuçta beyindeki nöronlara dokunma hissini kaydetmek için ulaşır.
Yapay Duyu Siniri ÇalışmalarıElektrik darbelerinin üretilme sıklığı (hertz cinsinden, yani saniye başına sayı olarak ölçülür) uygulanan basınç ile belirlenir. Daha yüksek basınçlar daha yüksek frekanslarda elektriksel darbeler üretirken, daha düşük basınçlar daha düşük frekanslı darbeler üretir Bu elektriksel darbeler, nabız frekanslarına göre dış uyaranın basıncını hissetmek için nihayetinde beyne iletilir ve işlenir.
Özet olarak biyolojik bir duyu siniri cilde basınç uygulandığında, mekanik alıcılar, kombine olan ve yakındaki nöronlara iletilen voltajlarını değiştirir. Bir voltaj eşiğine ulaşıldığında, bu nöronlar sinapslarla entegre edilen elektriksel darbeler göndererek dokunma hissini kaydetmek için beyne ulaşır. Daha yüksek basınçlar daha yüksek frekanslarda elektrik darbeleri üretir.

Yapay Duyu Siniri

Yapay duyu sinirleri gelişiminin çok erken bir aşamasındadır ve henüz insanlarda test edilmemiştir. Bununla birlikte, bu yapay sinirler, bir gün insanlarda kullanım için güvenli ve etkili olacakları umuduyla tasarlanmıştır. Biyolojik karşıtını taklit etmek için, yapay duyu siniri üç bileşen kullanılarak oluşturulur: dirençli basınç sensörleri, halka osilatörleri ve biyolojik mekanoreseptörlere, nöronlara ve sinapslara karşılık gelen bir sinaptik transistör. Bu üç bileşeni kısaca açıklamak gerekirse;
Dirençli basınç sensörleri: Dirençli basınç sensörleri, altın elektrotlara elektrik akımı ileten karbon nanotüplerle dolu kauçuk piramit yapılarından oluşur. Bu basınç sensörleri piezoelektrik özellikler gösterir, yani bu mekanik gerilimi elektriğe dönüştürme yeteneğidir. Kauçuğa uygulanan basınç artışı altın elektrotlara daha fazla karbon nanotüp iterek halka osilatöre daha büyük bir elektrik akımı ve daha büyük voltaj girişi sağlar.
Halka osilatörler: Halka osilatörler, voltaj girişi tarafından belirlenen frekanslarda elektrik darbeleri üretebilen cihazlardır. Direnç sensörleri üzerindeki daha büyük basınç nedeniyle daha büyük bir voltaj girişi, duyusal nöronların elektriksel darbeler üretme şekline benzer şekilde daha yüksek bir frekansla sonuçlanır.
Sinaptik transistör: Sinaptik transistör, çoklu halka osilatörlerinden elektriksel darbeleri alır ve birleştirir. Sinaptik transistörden gelen sinyaller bir bilgisayara (beyne benzer) kaydedilebilir veya biyolojik kas hareketlerini (bir sonraki bölümde tartışıldığı gibi) sürmek için kullanılabilir.
Yapay Duyu Siniri ÇalışmalarıYapay bir duyu siniri bileşenleri, yapay bir duyu siniri, dirençli basınç sensörleri, halka osilatörleri ve sırasıyla biyolojik mekanik alıcılara, nöronlara ve sinapslara karşılık gelen bir sinaptik transistörden oluşur. Sinaptik transistörden gelen sinyal bir bilgisayara (beyne benzer) kaydedilebilir. Biyolojik duyu siniri ile benzer şekilde, yapay duyu siniri, basınç sensörü kümelerinden insan basıncını algılama kabiliyeti (1 ila 80 kilopaskal, yani sert bir baskıya hafifçe dokunma) aralığında basınç bilgisi alır. Basınç bilgisi daha sonra halka osilatörleri kullanılarak duyusal nöronların (0 ila 100 hertz) frekanslarına uyan elektriksel darbelere dönüştürülür ve bir sinaptik transistör, çoklu halka osilatörlerinden elektriksel darbeleri entegre eder.

Yapay Duyu Siniri Uygulamalarını Geliştirme Çalışmaları

Yapay duyu siniri için gerçek hayat uygulamaları geliştirmeye giden araştırmacılar, bu yeni teknolojiyi test etmek ve değerlendirmek için iki deney yapmışlardır. Bu deneylerden biri Braille harflerini okumak diğeri hamamböceği bacağının hareketini indüklemektir. Birinci test, teknolojinin karmaşık dokunsal hisleri tam olarak yorumlama yeteneğini ortaya koymuş, ikincisi, yapay siniri biyolojik kaslarla ara yüzlendirmenin ve bir refleks’e benzer gerçekçi bir sinir tepki devresini taklit etmenin mümkün olduğunu göstermişler. Her iki özellik de yapay uzuvları, hassas robotları ve hayvan makinesi melezlerini algılama gibi fütüristik kavramlara yaklaşmaktadır.

Braille Alfabesi

Braille alfabesi körler için tasarlanmıştır. 2 × 3 ızgarada 6 noktadan oluşturulan 26 harf, 26 farklı nokta kombinasyonu ile temsil edilir. Örneğin, braille alfabesi E, nokta 1 ve nokta 5’in birleşimidir. İlk testte, yazarlar, braille ızgarasının düzenine benzer şekilde 6 nokta olarak bulunan dirençli basınç sensörleri içeren 6 bölge üretmiştir. Her basınç sensörü bölgesi bir halka osilatörüne bağlanmıştır. Sinaptik transistörler için girdi olarak farklı halka osilatör kombinasyonlarından elde edilen çıktı kullanılmıştır. Belirli braille harflerini temsil eden noktalara basıldığında, karşılık gelen sinaptik transistörler halka osilatörlerinden gelen elektrik sinyallerini yorumlar ve farklı harfler için farklı sinyaller üretir. Bu duyusal sinirler böylece robotların dokunma yeteneklerini geliştirmek için uygulanabilir.

Hibrit Biyo Elektronik Refleks

Biyolojik sinir sisteminde, omurilik veya beyin duyu sinirlerinden duyum alır ve işler. Duyusal sinirlerden girdi alındıktan sonra, omurilik veya beyin, mekanik bir tepki oluşturmak için motor sinirler (yani omurilik ve / veya beyinden motor sinyallerini motor sinyallerine gönderen sinirler) aracılığıyla bir çıkış yanıtı oluşturabilir sansasyona. Motor sinirlerin iletişim şekli duyu sinirlerininkine kıyasla zıttır. Bu cevabın gönüllü olması için, beyni gıdıklayan bir durum hissettiğinde ve çizmek için kolunu ve parmaklarını aktif olarak hareket ettirmeye karar verdiğinde olduğu gibi, duyusal ve motor sinirler arasında arabirim kurması gerekir. Diğer yandan, vücut uyarana olabildiğince çabuk tepki vermek istediğinde, sinyal ve yanıt doğrudan beyni bypass ederek omurilik tarafından doğrudan koordine edilir. Böyle bir istemsiz yanıtın bir örneği diz sarsıntısı refleks, diz kapağının altındaki birbağlantıya yanıt olarak bacağın ani uzantısıdır. Bu durumda, uzatma hareketi omurilikten bacak kasına gönderilen sinyallerle kontrol edilir ve beyni hep birlikte atlar.
Gerçek beyin ara yüzleri şu anda ulaşılamazken, yapay duyu siniri zaten bir omurilik refleksini taklit edebilir. Teknolojilerinin ikinci testinde, yazarlar yapay sinirin sinaptik transistörünü, ayrılmış bir hamamböceği bacağının motor siniri içine sokulan uyarıcı bir elektroda (yani metal tel) bağlamışlardır. Sinaptik transistörden omurilik çıkışına benzer elektriksel darbe çıkışı, bacağın bir refleks gib hareket etmesine neden olmuştur. Dirençli sensörlere uygulanan basınç yoğunluğundaki bir artış veya azalma, bacak uzatma kuvvetini arttırmış veya azaltmıştır. Bu test, yapay duyu sinirlerinin biyolojik motor sinir ile doğrudan iletişim kurabildiğini ve harici bir uyarana kas tepkisini etkileyebildiğini göstermiştir.
Özet olarak yapay bir duyu siniri, duyusal girişleri motor çıkışlarıyla entegre edebilir. Yapay duyu sinirlerinin motor tepkileri üretme yeteneğini test etmek için sinir, ayrılmış bir hamamböceği bacağı ile ara yüzleme yapılmıştır. Yapay duyu siniri çıkış sinyalleri bacak uzatma kuvvetini kontrol edebilir.

Yapay Sinirin Tanıyacağı ve Kolaylıklar

Biyolojik kaslarla baskı ve ara yüz hissedebilen yapay duyu sinirleri, protez uzuvlarla yaşayan insanların kayıp hisleri yeniden kazanmalarına yardımcı olmak için önemli bir adımdır. Bir gün robotlara çevreyi algılayabilen ve tepki verebilecek yapay deri verebilirler. Bununla birlikte, mevcut durumunda, yapay sinir hala gerçek cildin tüm hislerine sahip olmaktan çok uzaktır. Spesifik olarak, mevcut yapay sinir sadece basınca tepki olarak nöron benzeri sinyaller üretebilirken, gerçek cilt de titreşim, doku, sıcaklık, ağrı ve kaşıntı hissedebilir. Ek olarak, insan beyninin, kaybolan dokunma hislerini geri kazanmanın anahtarı olan yapay sinirlerden gelen sinyalleri işleyip işleyemeyeceği görülmeye devam edilmektedir.

Kaynakça:
sitn.hms.harvard.edu/flash/2018/art…
news.stanford.edu/2018/05/31/artifi…
www.sciencemag.org/news/2018/05/new…

Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu

Cevap bırakın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.

Bu web sitesi deneyiminizi geliştirmek için çerezleri kullanır. Bununla iyi olduğunuzu varsayacağız, ancak isterseniz vazgeçebilirsiniz. Kabul etmek Mesajları Oku