นักวิจัยจีนพัฒนานวัตกรรม ‘เส้นประสาทเทียม’ รับรู้ความเจ็บได้ถึง 4 ระดับ พร้อมฟีเจอร์รักษาตัวเองในตัว

ความเจ็บปวด แม้จะเป็นความรู้สึกที่เราไม่อยากเจอ แต่ปฏิเสธไม่ได้ว่ามันคือกลไกสำคัญที่ร่างกายใช้สื่อสารเพื่อปกป้องเราจากอันตราย ในร่างกายมนุษย์มีเซนเซอร์จิ๋วที่เรียกว่า ‘Nociceptors’ คอยทำหน้าที่นี้ แต่จะเป็นอย่างไรถ้าเราสามารถสร้างกลไกนี้ขึ้นมาใหม่ในรูปแบบสังเคราะห์ เพื่อมอบความรู้สึกให้กับแขนกลหรือหุ่นยนต์?

ล่าสุด นักวิจัยจาก Northeast Normal University ประเทศจีน ได้สร้างความฮือฮาในวงการวิทยาศาสตร์ด้วยการพัฒนา ‘เส้นทางประสาทรับความรู้สึกเจ็บปวดเทียม’ (Artificial Nociceptive Nerve Pathway) ในรูปแบบเจล ที่ไม่เพียงแค่บอกว่าเจ็บหรือไม่เจ็บ แต่สามารถบอกระดับความเจ็บปวดได้แม่นยำ และที่ล้ำไปกว่านั้นคือ มันซ่อมแซมตัวเองได้!

จากข้อจำกัดเดิม สู่ยุคใหม่ด้วยเทคโนโลยี Memristor

ในอดีต ความพยายามที่จะสร้างเซนเซอร์รับความเจ็บปวดเทียมนั้นมักพึ่งพาเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิม ซึ่งมีข้อจำกัดใหญ่คือความซับซ้อนของวงจรและขนาดที่เทอะทะ ทำให้ยากต่อการนำไปใช้งานจริงในการเลียนแบบระบบประสาทมนุษย์

จุดเปลี่ยนสำคัญคือการนำเทคโนโลยี ‘Memristor’ (Memory Resistor) เข้ามาประยุกต์ใช้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดจิ๋วนี้มีความโดดเด่นที่ความสามารถในการควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าและจำประวัติการไหลผ่านของไฟฟ้าได้ ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการเลียนแบบการทำงานของสมองและเส้นประสาท

เหนือกว่าแค่ ‘รู้สึก’ แต่ต้อง ‘แยกแยะ’ ได้

ความพิเศษของงานวิจัยชิ้นนี้ คือการนำปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ‘Quantized Conductance (QC)’ ใน Memristor มาใช้ ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุเป็นขั้นๆ แทนที่จะไหลเป็นสายต่อเนื่องเหมือนปกติ

ผลลัพธ์ที่ได้คือ เซนเซอร์ตัวนี้ไม่ได้ทำหน้าที่แค่สวิตช์เปิด-ปิดสัญญาณเตือนภัย แต่สามารถตอบสนองต่อแรงกระตุ้นได้ถึง 4 ระดับ ซึ่งเทียบเคียงได้กับสเกลความเจ็บปวดของมนุษย์

• No pain (ไม่รู้สึกเจ็บ)
• Mild (เจ็บเล็กน้อย)
• Moderate (เจ็บปานกลาง)
• Severe (เจ็บรุนแรง)

ทีมวิจัยสร้างเส้นประสาทเทียมนี้โดยใช้ฟิล์มเจลาตินสองชนิดมาเชื่อมต่อกันแบบอนุกรม (เจลาติน 10 wt.% สำหรับเซนเซอร์แรงกด และ 1 wt.% สำหรับ Memristor) เมื่อทดสอบด้วยแรงกดทางกลตั้งแต่ 9 ถึง 45 kPa ระบบสามารถแยกแยะระดับความรุนแรงได้อย่างชัดเจน

ฟีเจอร์ Self-healing เจ็บแล้วจำ พังแล้วซ่อมได้

สิ่งที่ทำให้งานวิจัยนี้น่าสนใจยิ่งขึ้น คือคุณสมบัติความเป็น Bio-inspired หรือการเลียนแบบสิ่งมีชีวิต ทีมนักวิจัยได้ทดสอบสร้างความเสียหายโดยการกรีดรอยกว้างขนาด 50.7 ไมโครเมตรลงบนเซนเซอร์

ผลปรากฏว่า เมื่อนำไปผ่านความร้อนที่ 60 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 20 นาที รอยกรีดดังกล่าวเลือนหายไป และที่สำคัญที่สุดคือ คุณสมบัติในการนำไฟฟ้าและการส่งสัญญาณความรู้สึกสามารถกลับคืนสู่สถานะปกติได้ สะท้อนให้เห็นถึงความสามารถในการซ่อมแซมตัวเองที่ยอดเยี่ยม

บทพิสูจน์จากการทดลองจริงสู่ก้าวต่อไปของ HMI

เพื่อยืนยันประสิทธิภาพ ทีมงานได้ทำการทดลองเชื่อมต่อเซนเซอร์ความเจ็บปวดเทียมนี้เข้ากับ ‘เส้นประสาทไซอาติก’ (Sciatic nerve) ของหนูทดลอง เมื่อมีการกดที่ตัวเซนเซอร์ สัญญาณไฟฟ้าถูกส่งไปยังหนูและทำให้กล้ามเนื้อของหนูเกิดการหดตัว ซึ่งเป็นการเลียนแบบปฏิกิริยาตอบสนองเพื่อหลีกเลี่ยงภัยตามธรรมชาติของสิ่งมีชีวิต

ความสำเร็จในครั้งนี้ไม่ได้เป็นเพียงแค่ชัยชนะในห้องแล็บ แต่เป็นสัญญาณบ่งบอกถึงอนาคตของเทคโนโลยี ‘Neuroprosthetics’ (กายอุปกรณ์ประสาทเทียม) และ ‘Human-Machine Interaction’ (HMI)

ลองจินตนาการถึงแขนเทียมที่ทำให้ผู้สวมใส่รับรู้ความร้อนหรือแรงบีบที่มากเกินไปได้ หรือหุ่นยนต์กู้ภัยที่รู้ว่าสภาพแวดล้อมอันตรายเกินกว่าที่วัสดุของมันจะทนไหว นวัตกรรมเจลรับความรู้สึกนี้อาจเป็นกุญแจสำคัญที่จะปลดล็อกความเป็นไปได้เหล่านั้น และยกระดับคุณภาพชีวิตของผู้ป่วยที่ต้องการการฟื้นฟูระบบประสาทในอนาคต

ที่มา: Phys.org