痛みのない現実はありません：人間の皮膚受容体の電子的同等物

皮膚は私たちの体の中で最大の器官であるだけでなく、外部刺激とそれらが私たちの体に与える影響のレベルに関する情報を毎秒収集する最大の感覚システムでもあります。機械的な観点からは、人間の皮膚の再建はそれほど難しくはありませんが、神経活動のない人工的な保護層にすぎません。メルボルンの王立工科大学（オーストラリア、メルボルン）の科学者は、さまざまな人間の皮膚センサーを模倣する人工センサーのシステムを開発しました。このような複雑な模倣を作成するために何が必要でしたか、デバイスの動作原理は何ですか、デバイスはどのような刺激を感知できますか、そしてこの開発はどこに適用できますか？これらの質問やその他の質問に対する回答は、科学者のレポートに記載されています。行く。

研究基盤

人間の皮膚の感覚システムはいくつかのサブシステムに分けることができ、それぞれが特定の刺激に関与しています。最も一般的で重要な受容体は、圧力受容体（Pacini小体）、温度受容体（thermoreceptors）および痛み受容体（nociceptors）です。



これらの受容体はそれぞれ、情報を収集し、信号を人間の脳に送信して、適切な決定を処理および実行します。他の感覚システム（視覚、聴覚、味、匂い）にも同様の動作原理があります。



現代の触覚センサーやCMOS（相補的な金属酸化物半導体構造）を考慮しても、そのような生物学的システムを再現することは非常に難しいことは論理的です。



拡散メモリスターに基づく人工侵害受容器を実装する開発があります*、侵害受容器の緊張および弛緩段階からなる正常な状態、ならびに外部刺激を張力として使用する侵害受容器の異痛症*および痛覚過敏*を伴う異常な状態を示す可能性がある。

Memristor *は、通過する電荷に応じて抵抗を変化させることができるマイクロエレクトロニクスのパッシブエレメントです。

異痛症*は、通常は痛みを伴わない刺激物（軽く触れたときの痛みなど）によって引き起こされる異常な痛みです。



痛覚過敏* -痛みの刺激に対する体の異常に高い感受性。

科学者によると、これらの開発は非常に重要です。なぜなら、メモリスターのスイッチングメカニズムは、直径が約サブナノメートルの導電性フィラメントに依存しているからです。熱電モジュールと圧電圧力モジュールを使用することにより、侵害受容器の4つの主要な機能の中で緊張と弛緩状態を首尾よく達成することが可能です。



現時点では、同様の手法を使用して人工眼を作成していますが、人工皮膚の形式での実装はまだ達成されていません。



この作品では、科学者は、パチーニの小さな体、熱受容器、侵害受容器を模倣する人工電子受容体の実用的なプロトタイプを示しています。これは、いくつかの機能コンポーネントの組み合わせによって達成されました。

• 酸素欠乏を伴うチタン酸ストロンチウムSrTiO3（STO）に基づく意思決定のためのメンバー。
• 引張エラストマー金ベースの圧力センサー（ポリジメチルシロキサン、すなわちPDMS）;
• 位相変化を伴う酸化バナジウム（VO ₂）に基づく温度トリガー。

この概念と以前の概念との主な違いは、体細胞センサーを実際に実装するために、別個の複雑な熱電モジュールや圧電圧力センサーが必要ないことです。したがって、開発では、非常に安価で容易に入手できる薄い酸化膜と、生体適合性PDMSのウェアラブル圧力センサーを使用します。

研究成果

何かを作成する前に、最終バージョンで何がどのように機能するかを考える必要があります。人工皮膚受容体を作成することを目的として、機能的なパチーニ体、熱受容体、侵害受容器を実装するための仮説的根拠が開発されました（下の図）。





画像＃1



人間の体細胞センサーは、情報を脳に伝達する脊髄角（灰色物質の突起）を介して脊髄に接続されています（1a）。圧力（1aで青）と温度（1aで赤）を決定する特別な方法があります。



パチーニの体は、液体で満たされた膜の層です。指紋は、パチーニの小さな体の代表的な例です。局所的な圧力が体にかかると、体の一部が変形し、化学イオン（ナトリウムやカリウムなど）がシフトし、その結果、皮膚の神経終末に受容体電位が発生します。この受容体電位は、十分なエネルギー（閾値）に達すると、小体内に電気インパルスを生成し、中枢神経系を通過して神経線維を介して運動反応を活性化します（1aの青色）。



皮膚の温度が30°Cを超えると、熱受容器が熱を検出し、作用電位をトリガーします。励起周波数は、刺激温度の上昇とともに飽和値に達するまで増加します。さらに、痛みの信号を拾う熱侵害受容器は、約45°Cで発火し始めます。これらのセルは、有害な熱や火傷の検出を専門としています。



有害な刺激が自由神経終末に位置する熱ニューロンによって受信されると、電気的応答が侵害受容器に送信され、刺激振幅が作用電位を生成して脊髄を介して中枢神経系に送信するためのしきい値を超えるかどうかを比較します（1aで赤）。



同様の人工受容体を作成するために、金とPDMSの圧力変換器が使用され、圧力をかけた場合とかけない場合で低抵抗（LRS）状態と高抵抗（HRS）状態を切り替えて、パチーニ小体をシミュレートしました（1bおよび1c）。



熱受容体と侵害受容器の挙動を模倣するために、VO ₂相転移が使用されました。これは、室温のHRSから転移温度（68°C）を超える温度のLRSに転移する可能性があります。



さらに、STO（チタン酸ストロンチウム）抵抗スイッチングメモリは、しきい値レベルを評価するための意思決定要素として使用されました。



人工パチーニボディの場合、検出可能な圧力がない場合、モーター応答（1b）を開始するためのバイアス電圧のために、決定メモリスターを流れる電流（I ₁）は不十分です。圧力が加えられると、トランスミッターはHRSモードに入り、I _2をブロックして、最大電流がメモリスターに流れるようにします。 I ₁が高いため_、 STOベースのメモリスターはLRSに切り替わります。その結果、より高い電流が体を流れ、運動反応を引き起こします（1c）。 thermoreceptorおよび侵害受容VOの場合には₂



接合部温度で3〜4桁の抵抗の変化を示す可能性があります。温度は、接合部温度を下回っている場合、VO _2が絶縁体です。



したがって、少量の電流がレセプタを流れ、メモリスタに現れる電圧はそれをオンにするのに十分ではありません（1d）。接合部温度に達すると、VO ₂がLRSに切り替わり、その結果、メモリスターに高い電位が現れ、LRSに切り替わります。VO ₂とSTOの両方がLRSにある場合、増加した電流が受容体を流れます（1e）。

パチーニの人工体

将来のデバイスの概念を作成した後、科学者は段階的な実装を開始しました。最初の段階では、スタック構造の酸素欠乏STOに基づくメモリスターが使用された人工パチーニボディが作成されました：Pt（100 nm）/ Ti（10 nm）/ STO（55 nm）/ Pt（25 nm）/ Ti（7 nm）そして、SiO ₂基板。



下のTi層は下のPt層の接着層として使用され、上のTi層は酸素貯蔵器として、またPt上層の接着層として使用されます。上部一つのTiO防止不活性材料として機能する下部Pt層は、切替処理に関与する_2を周囲の酸素にさらされるから。



圧力変換器のアーキテクチャは、100ミクロンのトラック幅を持つらせん状の形状のPaciniの生体小体に触発されています。コイル全体の直径は7.8mmです。センサーを作成するために、Au（200 nm）/ Cr（20 nm）を厚さ300μmのPDMSに堆積させました。





画像＃2



画像2aは、メモリスターと圧力センサーが統合された小さな体に相当する人工的なものを示しています。



圧力センサーネットワークは、受容体が意思決定コンポーネントとして機能するメモリスターをアクティブ化できるように機能します。



生物学的システムでは、十分な受容体電位に達すると、意思決定コンポーネントが電気インパルスを生成して中枢神経系の運動を活性化することができます。この機能を特定のしきい値で複製するには、圧力センサーが特定の範囲の圧力値を検出する必要があります。システムの効率を簡単に示すために、科学者はこの点を2つの値に単純化することにしました。強い圧力があり、圧力がまったくないということです。



わずか0.6kΩの抵抗を持つ圧力センサーネットワークを流れる電流を制限するために、100kΩの固定抵抗が選択されました。これにより、圧力がない場合でもシステムが非常に低い電流を表示することが保証されます。図2bは、スタンドアロンの圧力変換器の応答と再現性を示しています。



圧力が加えられると、圧力変換器は、PDMSベースの変換器で非常に一般的である変形と亀裂のために約1GΩの抵抗で非常にHRSに入ります。変形や亀裂は、複数のサイクルの後に圧力変換器の性能を低下させる可能性がありますが、これは人工変換器の概念自体の実証を妨げるものではありません。圧力が解放されると、亀裂のあるギャップが再び閉じてLRSが作成され、センサーが元の状態に戻ります。



同様のパターンが生物学的センサーでも観察され、これも変形し、圧力が加えられると化学イオンのシフトを引き起こします。



STOメモリエレメントからなる決定コンポーネントは、最初に、1μAの非常に低い電流でバイアス電圧を上下の電極に印加することによって電気成形する必要があることに注意する必要があります。この段階では、STOを介して導電性フィラメントを形成するための局所的なチャネルが作成されます。次に、デバイスをHRS状態とLRS状態の間で切り替えるために、電圧スイープが必要です。



圧力をかけないと、メモリスタを流れる電流がメモリスタを切り替えるのに不十分であることも重要です。ただし、圧力が加えられると、分岐を含むセンサーはHRS状態になり、メモリスター上の受容体の最大電位になります（1秒）。）。受容体電位の閾値に達すると、意思決定メンバーはHRS状態からLRS状態に切り替わります（2c）。この状態では、適用されたシーケンス0→+ 0.85V→0→1.12V→0は、デバイスを正のサイクルではLRS状態に、負の半サイクル（2dおよび2e）ではHRS状態に切り替えます。



デバイスをLRSに変換するために、正の半サイクルのみが考慮されます。画像2dによると、圧力が加えられていない場合、圧力センサー回路の合計抵抗は100.6kΩですが、並列決定コンポーネント（メモリスター）の抵抗は70kΩです。したがって、Pacini本体全体の等価抵抗は41.2kΩです。



この等価抵抗は、回路全体にわずか0.02 mAの電流を流します。これは、緩和状態と見なすことができます。圧力を加えると、圧力センサー回路が1GΩの非常に高い抵抗に変換されますが、メモリスターの抵抗はわずか約2.5kΩであり、Pacini本体全体の等価抵抗が約2.5kΩ変化します。この低インピーダンス条件により、回路全体で0.35mA以上の電流が可能になります。



したがって、圧力刺激は、弛緩状態よりもほぼ18倍高い応答信号を生成します。これにより、中枢神経系が運動応答を開始することができます。モーターの応答が完了した後、未使用の電極を使用してメモリースターに逆極性を適用し、パチーニ小体を初期化することができます。

人工熱受容器

memristorのベースにサーモレセプタを作成するために、Paciniの小さなボディと同じスタック構造が使用されました。金属-絶縁体-金属（MIM）。





画像№3



VOの表面と共に使用パート上側電子₂（3 A及び3B順次熱センサを接続するため）。装置全体を変位させる、このPtの（100ナノメートル）/ Tiの（10 nm）の電極層がVO上に堆積された₂面。初期電極と上部メムリスト電極の間には、100μmの実質的な距離が維持されました。



画像3cは、熱受容器の接続図を示しています。この図では、バイアスが金属を介して熱センサーに適用され、アース（図のGND）がメモリスターの下部電極に接続されて決定されます。



グラフは、3dは薄いVO上に誘電体-金属転移のための対温度曲線を示し抵抗を₂膜。明らかに、遷移温度に達すると、抵抗率は4桁低下します。明らかな熱ヒステリシスは、加熱および冷却サイクルでも観察されます。また、抵抗スイッチングに対する温度の顕著な影響はないことがわかりました（3e）。



memristorは、切り替えプロセス中の抵抗の100kOhmから2kOhmへの変化を示すことができます。ただし、より明確な分析のために、80 mVの読み取り電圧（V _READ）で最大スイッチング比R _OFF / R _ONが観察されるため、HRS状態の抵抗を93kΩ、LRS状態の抵抗を9kΩと見なすことが決定されました。完成したオフラインデバイスの電圧切り替えシーケンスは、0→+ 0.65V→0→0.80V→0でした。同じシーケンスをサーモレセプタ全体に適用すると、抵抗が減少するため、レセプタ電流は温度の上昇とともに増加します（3f）。



必要なスイッチング電圧を提供するために、レシーバーの温度は70°Cに維持されました。これは、VOことを確実にするためである_2は、 LRS状態にあります。次に、0〜2 Vのバイアス電圧を印加すると、デバイスが完全にセットおよびリセットされます（4a）。





画像＃4



決定を下すメンバーにとって、93kΩの初期抵抗は11MΩである熱センサーのHRSよりはるかに低いです。したがって、決定メモリスタに表示される部分電圧は、HRSからLRSに変換するためのVSETしきい値に到達できません。したがって、熱センサーとメモリスターの両方がHRS状態にあり、最小電流が熱受容器を流れることができます[ 4b（i） ]。



70°Cの臨界温度が適用されると、温度センサーの抵抗は4桁減少し、レセプタの応答が増加するにつれて、メモリスタの部分電圧は徐々にSET電圧まで増加します[ 4b（ii） ]。VSETがメモリスターをオンにするとすぐに、9kΩの抵抗でHRSからLRSに入ります[ 4b（iii） ]。



この段階で、最大の受容体応答が形成されます。LRSメモリは、熱刺激が完全に無効になっていても、長期間持続します。memristorを再プログラムするために、負の電圧VRESETはそれをLRSからHRSに転送できます[ 4b（iv） ]。このため、未使用の電極（3c）から負の電圧を印加することができます。

人工侵害受容器

侵害受容器は対応するものとは大きく異なると言っても過言ではありません。侵害受容器は人体全体に見られ、感覚ニューロンの軸の端にあります。



有害な刺激への暴露を避けるために、侵害受容器は2つの方法で反応します：正常と異常。



通常の状態では、皮膚で終結する神経が有害な刺激を受けると、応答信号が侵害受容器に送信され、信号が特定のしきい値を超えているかどうかを比較し、中枢神経系に対して作用電位を生成する必要があるかどうかを判断します。この通常の状態では、侵害受容器は緩和プロセスとして知られている時間の間ゆっくりとオフになります。この閾値と緩和プロセスを利用することにより、侵害受容器は、望ましくない重要で継続的な刺激から体を絶縁します。



侵害受容器の損傷の閾値に近い刺激に身体が直面すると、異常な反応が起こり、この状態では、侵害受容器は正常な受容体として機能し、さらなる損傷を回避します。それでも損傷を受けた場合、影響を受けた組織の脆弱性が高まります。侵害受容システムは、侵害受容閾値を局所的に低下させ、侵害受容応答を促進することによってこの増大した脆弱性に適応し、それによって適切な組織保護を提供する。



侵害受容器は、異常な条件下で、異痛症と痛覚過敏という2つの異なる行動を示します。



異痛症はより低い閾値で反応しますが、痛覚過敏は閾値を超えるとより強い反応を示し、異常な状態に侵害受容器の閾値がないことを示します。



侵害刺激時侵害受容器として作用する通常の条件下で人工thermoreceptorの挙動を観察するために、デバイスは、LRSに切り替えし、読み出しがVで読み取った_のREAD 80ミリボルト。



生物学的侵害受容器の反応は刺激の強度に大きく依存するため、人工侵害受容器は、66〜82°Cの範囲のさまざまな強度の一連の温度刺激にさらされました（5a）。





画像＃5



グラフ5bは、加えられた熱刺激の強度に対する応答信号を示しています。侵害受容器は、温度パルスが使用されるVOの遷移温度である68°Cに達するまでオンにならないことに注意してください。₂。したがって、温度によって引き起こされる遷移のためにVO ₂がLRSを見逃すと、回路に大電流が流れ始めます。そのようなコマンドは、刺激の強さが臨界値を超える値に達したときに侵害受容器が脳をトリガーするアクションポテンシャルを生成する生物学的システムに似ています。



刺激強度がしきい値を超えてさらに増加すると、電流が大きくなります。これは、生物学的類似体の応答とも一致します。刺激強度が高いほど、応答強度も高くなります。グラフ5cは、68°Cでの加熱および冷却刺激と対応する応答を示しています。



グラフ5dは、有害な刺激がオフにされた後の、時間の経過に伴う応答信号の減衰を示しています。 VOによって決定される緩和過程₂ STO基づいメモリスタには温度の影響がないので、。



VO ₂抵抗は時間の経過とともに温度の低下とともに増加する傾向があるため、人工侵害受容器は回路を流れる電流を制限し、したがって応答信号の強度の低下が観察されます。



より高い刺激によるより強い反応は、完全な弛緩のために比較的長い時間を必要とします。たとえば、68°Cでの応答が0.5μAのベース電流に達するまでに100秒かかりますが、80°Cでの応答は100秒で完全に緩和することはできません。



異常な状態でのデバイスの動作を観察するために、刺激が人工侵害受容器に適用され、その強度は通常の状態よりもはるかに高かった。



侵害受容器は毎分20度の速度で90°Cに加熱され、60°Cに冷却されました。これは通常の条件下でしきい値（68°C）を下回っています。



これに続いて、異痛症および痛覚過敏の主な特性である、低下した閾値および増強された応答の生成の有無を決定するために必要な、60から90℃への再加熱が行われた。



シーケンス60→90→60→90は、受容体のVO ₂部分と、VO ₂と金属-絶縁体-金属スタックを含む受容体全体に適用されました（6a）。





画像No.6



グラフは、侵害受容器全体の信号（6b）と比較して、VO ₂（6a）では応答信号がはるかに線形であることを明確に示しています。高い刺激強度では、VO ₂はほぼ金属状態にあり、遷移後の抵抗は5 kOhmと比較的低いため、これは予想されることです。さらに、適用されたVREADバイアス（80 mV）は、電圧VO ₂を電気的に調整して、さらに金属状にし、線形応答をもたらします。 同時に、同様のV _READバイアスが侵害受容器全体に現れると、LRS状態（9kΩ）にあるメモリスター全体で最大の電圧降下が発生します。この段階で、VOの両端の電圧



_2は線形応答を示すのに十分で_はありません。したがって、この動作は非線形です。



図6cは、異痛症と痛覚過敏症の行動を示しています。生物学的システムでは、応答強度は、閾値下（異痛症）および閾値以上（痛覚過敏）の刺激強度の異常な状態でより高くなります。



上の図6d示す60→90→60→90℃の配列を有する配列を加熱する2サイクルに対する応答ここでは、2番目の加熱サイクルの応答が増加し、しきい値が減少していることがわかります。



人工受容体の挙動は、閾値強度を下回る異痛症と閾値強度（70°C）を超える痛覚過敏を明確に示しています。このことから、閾値を下げ、反応の強度を上げることにより、侵害受容器は、急性の痛みを伴う刺激の撤回または回避などの防御反応を活性化し、増強するということになる。





パチーニの小さな体の電子的同等物の動作原理のデモンストレーション。



研究のニュアンスについてのより詳細な知識については、科学者の報告とそれに追加された資料を調べることをお勧めします。

エピローグ

人間の脳は、最も複雑な生物学的システムの1つです。しかし、特にそれが実行する機能のかなりのリストを考えると、人間の皮膚がそれほど複雑ではないという事実を否定することはできません。



皮膚の機能の一部を人工的に再現することは難しくありませんが、環境に関する情報を収集する受容体に関しては、いわば機能しません。



しかし、科学者たちは、圧力、温度、痛みを捕らえる人工受容体の作成において、依然としていくつかの結果を達成することに成功しています。



この作品の作者によると、彼らのデバイスは、軽いタッチと、例えば、針の刺し傷を区別することができます。一見、これらは非常にありふれたことですが、以前はそのような正確さは電子受容器にはありませんでした。



将来、科学者は当然、知覚される外部刺激の範囲を拡大するために作業を継続する予定であり、これによりデバイスがさらに正確になります。そのような開発は、補綴だけでなく、ロボット工学にも確実に適用されます。



ご清聴ありがとうございました。好奇心を持ち、素晴らしい週末をお過ごしください。:)

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