Över hela kroppen finns små sensorer som kallas nociceptorer, vars uppgift är att upptäcka potentiellt skadliga stimuli och skicka varningssignaler till hjärnan och ryggmärgen, vilket hjälper oss att skydda oss från skador eller vävnadsskada.
I en ny studie har forskare från Northeast Normal University i Kina utvecklat en geléliknande artificiell nociceptiv nervbana byggd med hjälp av en memristor – en liten elektronisk komponent som styr strömflödet och lagrar information om hur mycket elektricitet som har flödat genom den.
Fenomenet kvantiserad konduktans (QC) i memristorer, där elektricitet flödar genom ett material i diskreta steg snarare än i en jämn ström, gjorde det möjligt för smärtreceptorn att göra mer än att bara slås på och av som svar på en stimulans. Istället uppvisade den fyra distinkta nivåer som motsvarar den mänskliga smärtskalan: ingen smärta, mild, måttlig och svår.
Den bioinspirerade receptorn visade också tecken på självläkning i form av reparation av fysiska skador och avtagande smärtsignaler.
Forskarna hoppas att artificiella nociceptiva system, genom att efterlikna hur smärta upplevs, kan flytta gränserna för neuroproteser och intuitiv interaktion mellan människa och maskin.
Deras resultat är publicerade i Advanced Functional Materials.
Gel som känner av smärta på olika nivåer
Artificiella nociceptorer har länge varit ett fokus för forskning och utveckling. Ett av de tidigaste försöken att skapa artificiella smärtsensorer använde traditionell halvledarteknik. Forskarna fann dock att detta krävde extremt komplicerade och skrymmande kretsar för att efterlikna även grundläggande mänskliga smärtreaktioner.
Med memristorernas intåg skiftade forskarnas fokus snabbt från att försöka använda halvledare för hjärninspirerad databehandling till dessa små elektroniska enheter med bara två terminaler. Genom att utnyttja deras specifika omkopplingsbeteende har forskarna utvecklat en artificiell smärtsensor som reagerar starkare på upprepade stimuli, utan att anpassa sig till smärtstimuli över tid, som biologiska smärtsensorer gör.
Befintliga artificiella nociceptorer saknar dock ofta förmågan att gradera smärtintensitet och självläka, vilket båda är avgörande för realistisk smärtuppfattning och återhämtning.
Forskarna i denna studie uppnådde en mer precis avkänningsrespons genom att använda två typer av gelatinfilm: 10 viktprocent för trycksensorer och 1 viktprocent för memristorer. De kopplade sedan samman dessa två komponenter i serie för att skapa en artificiell nerv.
Teamet testade smärtavkänningssystemets förmåga att skilja mellan intensiteter genom att applicera mekaniska krafter mellan 9 och 45 kPa. De upptäckte fyra olika tillstånd, från ingen smärta till svår smärta.
Forskarna gjorde snitt på upp till 50,7 µm i gelatinsensorerna och applicerade värme på 60 °C i 20 minuter för att utvärdera materialets återhämtning och dess förmåga att återställa den elektriska ledningsförmågan. Skärningarna försvann efter värmebehandlingen och de elektriska egenskaperna återgick till sitt ursprungliga tillstånd.
Den artificiella smärtsensorn anslöts till ischiasnerven hos en bedövad mus. När sensorn trycktes ned sände den elektriska signaler som fick musens muskler att dra sig samman, vilket efterliknade en naturlig undvikande reaktion.
Dessa resultat tyder på att nya geléliknande material som efterliknar smärtreceptorer kan omforma gränssnitten mellan människa och maskin och bidra till att utveckla teknik för effektiv rehabilitering av människor efter skador.
Publiceringsinformation
Xuanyu Shan et al, Bioinspirerad artificiell nociceptor baserad på kvantiserad konduktansmemristor med smärtbedömning, självläkning och neuromoduleringsförmåga, Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202528900