ساخت ایمپلنت مغزی نرم با الهام از سازوکارهای اوریگامی در چین

گروهی از محققان چینی موفق به طراحی ایمپلنت مغزی نرم و انعطاف‌پذیری شده‌اند که با الهام از سازوکارهای اوریگامی ساخته شده است.

به گزارش سرویس فناوری تک‌ناک، این ایمپلنت به‌ گونه‌ای طراحی شده است که همگام با حرکات طبیعی مغز تغییر شکل دهد، نه اینکه به‌ صورت سازه‌ای صلب در بافت عصبی باقی بماند؛ رویکردی که می‌تواند مسیر توسعه فناوری‌های رابط مغز و رایانه (BCI) را دگرگون کند.

این ایمپلنت بر پایه تکنیکی موسوم به «اوریگامی سه‌بعدی» ساخته شده است؛ روشی مرتبط با اوریگامی که از برش‌ها و تاهای مهندسی‌شده برای ایجاد ساختارهای سه‌بعدی پیچیده بهره می‌برد. در این فرایند، یک ورق تخت اولیه با اعمال برش‌های دقیق طراحی می‌شود تا هنگام کشش یا تا شدن، به ساختاری سه‌بعدی با قابلیت تغییر شکل بالا تبدیل شود. چنین معماری‌ امکان کشسانی، خمش و پیچش مواد تخت را بدون ایجاد شکست فراهم می‌کند؛ ویژگی‌ که در مهندسی زیست‌پزشکی اهمیت بالایی دارد.

حتما بخوانید: نوجوان ۱۴ ساله با کشف الگوی جدید اوریگامی ۲۵۰۰۰ دلار برنده شد + تصویر

در فناوری‌های کنونی رابط مغز و رایانه، از جمله سامانه‌های توسعه‌یافته توسط شرکت نورالینک، رشته‌های میکروالکترودی بسیار ظریف در بافت مغز کاشته می‌شوند تا فعالیت‌های عصبی را ثبت کنند. با وجود این، صلبیت نسبی این رشته‌ها با ماهیت پویای مغز (که به‌ واسطه ضربان قلب و چرخه تنفس به‌ طور مداوم در حال حرکت است) همخوانی کامل ندارد. پژوهشگران در مقاله خود تاکید کرده‌اند که پیشرفت در حوزه BCI مستلزم توسعه آرایه‌های میکروالکترودی کاشتنی است که بتوانند در مقیاس‌های زمانی و فضایی گسترده با شمار زیادی از نورون‌ها تعامل برقرار کنند. در شرایط فعلی به دلیل عدم تطابق مکانیکی میان ایمپلنت و بافت عصبی، سامانه‌های BCI در گذر زمان دچار جابه‌جایی یا عقب‌نشینی می‌شوند؛ پدیده‌ای که باعث افت کیفیت سیگنال می‌شود و خطر التهاب یا آسیب بافتی را افزایش می‌دهد.

چگونگی ساخت ایمپلنت مغزی نرم با الهام از اوریگامی

بنا بر گزارش‌ها، نخستین ایمپلنت انسانی شرکت نورالینک در سال ۲۰۲۴، بخش قابل‌ توجهی از کارایی خود را از دست داد؛ رخدادی که ناشی از جابه‌جایی تعداد زیادی از رشته‌های الکترودی بود. این پدیده که با عنوان «عقب‌نشینی رشته‌ها» شناخته می‌شود، یکی از جدی‌ترین نقاط آسیب‌پذیر در فناوری‌های رابط مغز و رایانه (BCI) به حساب می‌آید.

«فانگ یینگ»، پژوهشگر ارشد موسسه تحقیقات مغز پکن اعلام کرده است که حدود چهار سال پیش مشخص شد الکترودها به دلیل حرکات مداوم مغز با خطر واقعی عقب‌نشینی مواجه‌ هستند. به گفته او، همین چالش، تیم پژوهشی را به سمت توسعه راهکارهایی سوق داد که احتمال بیرون کشیده شدن الکترودها را (در شرایطی که یک سر آنها در مغز لنگر انداخته و سر دیگر به جمجمه متصل است) به حداقل برساند.

بیشتر بخوانید: ایمپلنت نورالینک و دوربین Insta360 Link 2 به بیمار ALS بینایی دوم بخشیدند

در پاسخ به این مسئله، تیم آکادمی علوم چین با الهام از هنر سنتی تا کردن کاغذ ژاپنی، الکترودهایی با ساختار مارپیچی طراحی و آنها را جایگزین رشته‌های خطی و مستقیم کرد. این معماری مارپیچی، قابلیت کشسانی و فشردگی هم‌زمان دارد و به‌جای مقاومت در برابر حرکات طبیعی مغز، آنها را جذب می‌کند؛ رویکردی که به کاهش تنش مکانیکی وارد بر بافت عصبی می‌انجامد. علاوه بر این، ایمپلنت مغزی نرم هنگام کاشت روی لایه‌ای از هیدروژل قرار می‌گیرد؛ لایه‌ای که اصطکاک را کاهش می‌دهد، آسیب بافتی حین ورود را محدود می‌کند و به‌ عنوان ضربه‌گیر در برابر حرکات دینامیک مغز عمل می‌کند. پژوهشگران توضیح دادند که این طراحی به الکترودها اجازه می‌دهد به‌ صورت «شناور» روی سطح مغز قرار گیرند، نه اینکه به‌ طور صلب به آن متصل شوند. نتایج آزمایش‌های پیش‌بالینی چشمگیر بوده است.

برای مطالعه بیشتر: ثبت اولین کنترل کامل رباتیک با ذهن انسان در پروژه نورالینک

گام بعدی در فناوری رابط مغز و رایانه

در آزمون‌های انجام‌شده روی میمون‌های ماکاک (که از نظر ساختار قشری شباهت بالایی به انسان دارند)، این ایمپلنت مغزی نرم توانست به‌ طور هم‌زمان فعالیت بیش از ۷۰۰ نورون قشری را ثبت کند. علاوه بر پوشش ناحیه‌ای گسترده از مغز و حفظ پایداری سیگنال‌ها، میزان جابه‌جایی آن نیز در مقایسه با طراحی‌های متداول به‌ طور محسوسی کمتر گزارش شد. این پیشرفت از آن جهت اهمیت دارد که BCIها در کاربردهایی مانند: بازگرداندن توان حرکتی به بیماران دچار فلج برای کنترل اندام‌های رباتیک، احیای گفتار، درمان اختلالات عصبی و حتی ارتقای ظرفیت‌های شناختی انسان نقش‌آفرینی می‌کنند. هرگونه جابه‌جایی، التهاب یا آسیب بافتی در محل اتصال مغز و فناوری، دوام و کارآمدی بلندمدت این سامانه‌ها را با محدودیت مواجه خواهد کرد. از این منظر، اگر رویکرد مبتنی بر اوریگامی بتواند چالش عقب‌نشینی و تنش مکانیکی را برطرف کند، می‌تواند به نقطه عطفی در آینده فناوری‌های رابط مغز و رایانه تبدیل شود.

شرح کامل این پژوهش در نشریه علمی Nature Electronics منتشر شده است.