革命性的生物芯片模仿人类视网膜:迈向机器人现实的飞跃

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由Jülich的Francesca Santoro领导的国际研究小组开发了一种模仿人类视网膜的生物芯片。这项创新是旨在修复身体和大脑功能障碍的生物电子学更广泛努力的一部分。该芯片的创建是来自Forschungszentrum Jülich,亚琛工业大学,Istituto Italiano di Tecnologia和那不勒斯大学的专家共同完成的。他们的研究成果已发表在《自然通讯》杂志上。

人与机器的融合是科幻叙事的缩影。在现实生活中,早就迈出了迈向这种半机械人的第一步:人们有心脏起搏器来治疗心律失常或人工耳蜗来改善听力,视网膜植入物可以帮助几乎失明的人至少看得见一点。未来,一种新芯片可以帮助视网膜植入物更好地与人体融合。它基于导电聚合物和光敏分子,可用于模仿视网膜,并具有视觉通路。它由于利希生物电子学研究所(IBI-3)的Francesca Santoro研究小组与亚琛工业大学,热那亚的意大利技术学院和那不勒斯大学合作开发。

“我们的有机半导体可以识别有多少光落在它上面。类似的事情发生在我们的眼中。照射到单个光感受器的光量最终会在大脑中产生图像,“亚琛工业大学神经电子接口教授、意大利技术学院客座研究员Santoro解释道。

多功能芯片

新半导体的特别之处在于它完全由无毒的有机成分组成,具有柔韧性,并且与离子(即带电原子或分子)一起工作。因此,它可以比传统的硅半导体元件更好地集成到生物系统中,后者是刚性的,只能与电子一起工作。“我们的身体细胞专门使用离子来控制某些过程和交换信息,”研究人员解释说。然而,她强调说,到目前为止,开发只是一个“概念验证”。这种材料被合成,然后被表征:“我们能够证明视网膜的典型特性可以用它来模仿,”她说。

研究人员已经在考虑另一种可能的应用:该芯片还可以用作人工突触,因为光照射会改变短期和长期使用的聚合物的电导率。真正的突触以类似的方式工作:例如,通过传递电信号,它们会改变它们的大小和效率,这是我们大脑学习和记忆能力的基础。Santoro展望未来:“在未来的实验中,我们希望将这些组件与生物细胞耦合,并将许多单独的细胞连接在一起。

了解神经元

除了人造视网膜,Santoro的团队正在开发其他生物电子芯片的方法,这些芯片可以以类似的方式与人体相互作用,特别是神经系统的细胞。“一方面,我们试图复制神经细胞的三维结构,另一方面,我们也在尝试复制它们的功能,例如处理和存储信息。

他们在人造视网膜中使用的生物聚合物被证明是一种合适的起始材料。“我们可以用它们来复制人类神经细胞的分支结构及其许多树突。你可以想象它有点像一棵树,“科学家解释道。这很重要,因为真正的细胞更喜欢这种分支的三维结构而不是光滑的表面,从而与人造细胞建立密切接触。

首先,不同的生物芯片可用于研究真正的神经元,例如细胞信息交换。其次,Santoro和她的团队希望有一天他们能够利用它们的成分积极干预细胞的通讯途径,以触发某些影响。例如,桑托罗在这里考虑纠正神经退行性疾病(如帕金森氏症或阿尔茨海默氏病)中发生的信息处理和传递错误,或纠正不再正常运作的支持器官。此外,这些组件还可以用作假肢或关节之间的接口。

计算机技术也可以从中受益。由于其特性,这些芯片注定要用作人工神经网络的硬件。到目前为止,人工智能程序仍在使用无法调整其结构的经典处理器。他们只是模仿通过复杂的软件改变神经网络的自学习工作原理。这是非常低效的。人工神经元可以弥补之前的缺陷:“它们将使计算机技术能够在各个层面上模仿大脑的工作方式,”桑托罗说。

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