مستشعر في تجويف الطرف الاصطناعي يحذّر قبل إصابة الأنسجة

تجويف الطرف الاصطناعي هو وعاء ضيق يتحمل الأحمال. وبالنسبة إلى من يمشي على طرف متبقٍ، فإن ذلك الوعاء يمثل خطرًا أيضًا. فالضغط الذي يستمر طويلًا، أو يتركز على رقعة الجلد الخطأ، قد يؤذي نسيجًا مرّ أصلًا بالبتر والالتئام والاحتكاك اليومي لبطانة التجويف. طوّر باحثون في جامعة تشجيانغ للتكنولوجيا طبقة مستشعرات مستوحاة من الأحياء، مصممة لتوضع داخل تجويف طرف اصطناعي وترصد الضغط الذي قد يؤذي جلد الطرف المتبقي، وفقًا لما أوردته ScienceAlert عن دراسة في Cyborg and Bionic Systems.

هذا العمل ليس ذراعًا جديدة ولا ساقًا جديدة. النموذج الأولي ليس طرفًا كاملًا. إنه صفيحة استشعار. يتتبع موضع ضغط التجويف، وشدة الضغط، ومدته. وهذه الحقائق الثلاث هي الفارق بين تجويف يثبت الطرف فحسب وتجويف يستطيع التحذير قبل إصابة الأنسجة.

طبقة، لا طرف

عند قراءة ورقة بحثية عن إلكترونيات مستوحاة من الألم، قد يتخيل المرء يدًا آلية ترتدّ عند الطلب. لكن هذا ليس ما بناه فريق تشجيانغ. يشغل الجهاز المساحة بين الطرف المتبقي وجدار التجويف. ومهمته مراقبة التلامس. فهو لا يستبدل الطرف أو التجويف أو الشخص الذي يرتديهما.

هذا التمييز مهم لأن أبحاث الأطراف الاصطناعية تُسوّق كثيرًا بوصفها خيالًا علميًا. فالطرف الكامل يحتاج إلى محركات، ومنظومة تحكم، وغلاف تجميلي، ومسار سريري يُقاس بالسنوات. أما طبقة الاستشعار فيمكن أن تكون أرق وأقل كلفة في التكرار، وأسهل وضعًا عند النقاط التي يخذل فيها التجويف الناس أصلًا: الحافة، والطرف البعيد، وبروز عظمي، والموضع الذي تتجعد فيه البطانة وتبدأ منه بؤرة ساخنة.

أبقت ScienceAlert الادعاء في هذا الإطار الأضيق. فالطبقة ترصد الضغط. ولا تدّعي شفاء الجلد أو إعادة تصميم التجويف أو الشعور نيابة عن مرتديه. وتُعد Cyborg and Bionic Systems موطنًا مجلّيًا لهذا النوع من الادعاءات: أجهزة تستعير فكرة بيولوجية من دون التظاهر بأنها كائن حي.

مساران، وتحذير واحد

يقسم النموذج الأولي عمله إلى مسارين إلكترونيين.

يبلّغ مسار لمسي عن الموضع والشدة. تلك هي الخريطة: هنا، بهذا القدر من القوة. إنه نوع الإشارة الذي يمكن أن يستخدمه اختصاصي أو وحدة تحكم مستقبلية في التجويف بالطريقة التي تُستخدم بها حصيرة الضغط في مختبر تحليل المشي، لكنه مصمم ليعيش داخل التجويف لا تحت ممر للمشي. فالموضع من دون الشدة مجرد تخمين، والشدة من دون الموضع رقم بلا عنوان. ويحافظ المسار اللمسي على كليهما.

أما المسار المستوحى من الألم فيفعل شيئًا لا تفعله خريطة اللمس. فهو يجمع الإشارات بمرور الوقت باستخدام ترانزستورات شبيهة بالمشابك العصبية، تصبح أكثر حساسية بعد إدخال يشبه الإصابة. وتدخل المدة في الحساب. فالضغط القصير والضغط الطويل ليسا الحدث نفسه، حتى عندما تبدو الذروة على مقياس القياس متطابقة. وبعد إدخال يشبه الإصابة، تصبح الترانزستورات أكثر حساسية. وهذه نسخة آلية من عادة بيولوجية: فالنسيج الذي سبق أن أُصيب لا يحتاج إلى الأذى نفسه مرتين قبل أن يطلق شكواه.

ولهذا يتحدث البحث عن استقبال الألم أصلًا. فاستقبال الألم هو طريقة الجهاز العصبي في اكتشاف المنبهات الضارة أو التي يُحتمل أن تكون ضارة. وهو لا يطابق الإحساس بالألم. وقد حرص المؤلف الرئيسي على عدم الخلط بين الاثنين.

ما لا يشعر به الجهاز

قال المؤلف الرئيسي هوابينغ وو لـScienceAlert: «الجهاز لا يشعر بالألم ولا يسبب الألم للمستخدم». «بل يعيد إنتاج سمات مختارة من معالجة المعلومات المرتبطة باستقبال الألم، بما في ذلك عتبات المنبهات، والجمع الزمني والمكاني، والذاكرة، والتحسيس.»

هذه جملة طويلة وقائمة قصيرة من الادعاءات. تعني عتبات المنبهات أن النظام يستطيع اعتبار بعض المدخلات أدنى من أن تُلاحظ، وأخرى جديرة بإطلاق تحذير. ويفسر الجمع الزمني سبب عدم قابلية خُمس الثانية ونصف الثانية للاستبدال. أما الجمع المكاني فيفسر أهمية الموضع عندما تُجمع الإشارات. وتفسر الذاكرة والتحسيس سبب عدم تجاهل الإدخال الشبيه بالإصابة بعد انتهائه: فالترانزستورات تتذكر، وتصبح أكثر استعدادًا في المرة التالية.

الجملة الأولى لوو هي التي ينبغي أن ترافق البحث. فمستشعر «يشعر بالألم» عنوان صحفي. أما مستشعر يعيد إنتاج سمات مختارة من معالجة المعلومات فهو جهاز. ونموذج تشجيانغ الأولي هو الشيء الثاني. إنه لا ينقل الألم إلى الطرف المتبقي، ولا يدّعي امتلاك حياة داخلية. بل ينسخ بعض القواعد التي يستخدمها استقبال الألم البيولوجي أصلًا، ويستخدم تلك القواعد ليقرر متى انتقل الضغط من تلامس عادي مع التجويف إلى تحذير.

وتغلق الصياغة أيضًا بابًا يحق لمستخدمي الأطراف الاصطناعية إبقاؤه مغلقًا. فطبقة داخل التجويف تسبب الألم ستكون قسوة مزودة بمخطط دوائر. وقال وو إن ذلك ليس التصميم. الجهاز يبلّغ، ولا يعاقب.

يد روبوتية، وضغط واحد، وثلاث مدد

اختبر الفريق الفكرة على يد روبوتية. وكان الضغط المستخدم 10 كيلوباسكالات. وتُعد عشرة كيلوباسكالات رقمًا متواضعًا في اللغة الصناعية وذا معنى على الجلد. لكن ما تغير لم يكن الضغط، بل الزمن.

عومل ضغط قدره 10 كيلوباسكالات لمدة 0.21 ثانية على أنه غير مؤذٍ. أما الضغط نفسه لمدة 0.49 ثانية فأطلق الانسحاب. ثم انسحب النظام بعد 0.06 ثانية من ذلك الحدث.

اقرأوا هذه الأرقام الثلاثة بوصفها تسلسلًا، لا جدولًا. أولًا، يعامل الجهاز ضغطًا قصيرًا قدره 10 كيلوباسكالات على أنه مسموح. ثم يصبح الضغط الأطول بالشدة نفسها غير مسموح به، فتتراجع اليد. وبعد ذلك الحدث الشبيه بالإصابة، يكفي النوع نفسه من الإدخال لإطلاق الانسحاب خلال جزء صغير من الثانية. ذلك هو التحسيس بالشكل الذي تستطيع الدراسة إظهاره: ليس مزاجًا ولا تكشيرًا، بل فتيلًا أقصر.

اختبار اليد الروبوتية هو النسخة النظيفة من الحجة. فالروبوت لا يملك جلد طرف متبقٍ، ولا بطانة أو عرقًا أو بروزًا عظميًا يتحرك مع تغير حجم الطرف المتبقي خلال اليوم. ما يملكه هو تلامس يمكن التحكم فيه وانسحاب قابل للقياس. وتسلسل 0.21 ثانية / 0.49 ثانية / 0.06 ثانية هو الطريقة التي يبرهن بها المؤلفون على أن المسار المستوحى من الألم يفعل أكثر من إطلاق إنذار عند ذروة الضغط. كان إنذار ذروة الضغط سيعامل التلامسات الثلاثة بالطريقة نفسها. لكنه لم يفعل.

الزمن هو المتغير الذي لا تأخذ منه معظم فحوصات التجويف عينات كافية. فقد تُظهر غرفة الملاءمة علامة حمراء، لكنها لا تُظهر دائمًا كم استغرق ظهورها. ويجعل التسلسل الروبوتي منطق المدة واضحًا قبل أن يُطلب من الطبقة أن تعيش على طرف متبقٍ.

أربع نقاط، وثلاثة تجاويف تحت الركبة

الأيدي المختبرية ليست عيادات. وقد رُكّبت الطبقة أيضًا في أربع نقاط داخل ثلاثة تجاويف تحت الركبة. وتُعد تجاويف ما تحت الركبة، أو التجاويف عبر الظنبوب، من أكثر واجهات حمل الأحمال شيوعًا في الأطراف الاصطناعية. فهي تنقل أحمال المشي عبر ساق متبقية لا تزال تضم عظمًا وعضلات وجلدًا، ضمن هندسة لا تطابق القدم التي كان الشخص يمتلكها. ولا تمثل أربع نقاط مزودة بأجهزة قياس خريطة ضغط كاملة لكل سنتيمتر مربع من التجويف. لكنها تكفي لطرح سؤال عملي: عندما يكون الانزعاج قصيرًا، وعندما يستمر، هل تلاحظه الطبقة؟

لقد رصدت 86.4% من أحداث الانزعاج القصيرة و90.9% من الأحداث المطوّلة.

هذه النسب هي النتيجة الموجهة إلى الجانب السريري في رواية ScienceAlert. وهي ليست 100%. لكنها ليست رمية عملة أيضًا. فقد رُصدت الأحداث المطوّلة — وهي الأهم بالنسبة إلى نسيج لا يحصل على فرصة للراحة — بمعدل أعلى من الأحداث القصيرة. ويتوافق هذا النمط مع التصميم. فالمسار الذي يجمع بمرور الوقت ينبغي أن يكون أقوى في الأحداث التي تستمر. أما الانزعاج القصير فأصعب. فقد يكون تجعدًا، أو خطأ عند ارتداء الطرف، أو خطوة واحدة على حافة رصيف. ومع ذلك، رصدت الطبقة معظم تلك الأحداث، بنسبة 86.4%، بينما وصلت إلى 90.9% في مجموعة الأحداث المطوّلة.

والدراسة، وفقًا لما أُفيد به، لا تحول هذه الأرقام إلى وصفة علاجية. فـثلاثة تجاويف وأربع نقاط تمثل مقياسًا استعراضيًا. وهي تُظهر أن المنطق المستوحى من الأحياء، الذي جعل اليد الروبوتية تنسحب، يمكن أن يوضع في واجهة حقيقية تحت الركبة وأن يحدد الأحداث التي سيصفها مرتدي الطرف بأنها مزعجة.

لماذا تؤذي التجاويف جلد الطرف المتبقي؟

جلد الطرف المتبقي ليس جلدًا عاديًا في موضع عادي. فكثيرًا ما يكون متندبًا. وقد يحتوي على مناطق خضعت للترقيع، أو إحساس منخفض، أو إحساس غير موثوق. وهو يعيش داخل حيز مغلق مع بطانة وعرق وحمل دوري. وقد يكون التجويف الملائم صباحًا مختلفًا بعد الظهر إذا انخفض حجم الطرف المتبقي. وقد تكون طبقة الجورب المناسبة يوم الاثنين غير مناسبة يوم الخميس.

إصابات الضغط في تلك البيئة ليست غامضة. إنها نتيجة متوقعة للحمل والزمن والحرارة وسطح لا يستطيع بسهولة أن يقول إنه اكتفى. ولدى مستخدمي التجاويف بالفعل مفرداتهم الخاصة لذلك: البؤر الساخنة، والاحمرار الذي لا يتلاشى في موعده، والخوف الخاص من جرح صغير سيبقي الطرف الاصطناعي في الخزانة. ولدى الأطباء مفرداتهم وأدواتهم أيضًا: تجاويف شفافة للفحص، وأفلام ضغط، وتغييرات في المحاذاة، وجوارب إضافية، وبطانة جديدة، وتجويف جديد عندما يخسر القديم المعركة.

لكن ما لا يتوافر لهم دائمًا هو سجل مستمر لـالموضع والشدة والمدة أثناء المشي الفعلي. فالزيارة المختبرية لقطة. أما اليوم الذي يُقضى داخل التجويف فهو فيلم. وطبقة تشجيانغ محاولة لوضع فيلم داخل عتاد اللقطة.

ولا يخترع أي من هذا السياق نتيجة لم يذكرها البحث. بل يوضح سبب كون مستشعر يتتبع الموضع والشدة والمدة مشكلة في الأطراف الاصطناعية، لا مشكلة إلكترونيات فحسب. فـطبقة المستشعرات المستوحاة من الأحياء تستهدف الإصابة التي تبدأ بضغط هادئ وتتحول إلى جرح لأن أحدًا لم يكن يراقب الساعة.

شبيهة بالمشابك العصبية، وليست واعية

إن الترانزستورات الشبيهة بالمشابك العصبية هي المكوّن الذي يتيح للمسار المستوحى من الألم أن يتصرف كجمع لا كمفتاح. فالمفتاح سيفصل عند 10 كيلوباسكالات ويتجاهل الساعة. أما الجمع فيهتم بالساعة. وبعد إدخال يشبه الإصابة، تصبح الترانزستورات أكثر حساسية، وهو ما يجعل 0.06 ثانية رقمًا ذا دلالة بدل أن يكون مجرد خطأ تقريبي.

وصفها بأنها شبيهة بالمشابك العصبية هو ادعاء متعلق بالمواد، لا ادعاء بالوعي. وقد أغلق وو ذلك الباب أصلًا. فالجهاز لا يشعر، بل يعالج. والسمات التي ينسخها — العتبات، والجمع الزمني والمكاني، والذاكرة، والتحسيس — هي سمات يستطيع المصمم تنفيذها في العتاد إذا كان العتاد قادرًا على تغيير كسبه بنفسه. وهذا هو الغرض من هذه الترانزستورات.

لذلك فإن مستوحى من الأحياء صفة محددة في هذه الورقة. فالإلهام هو معالجة المعلومات في استقبال الألم، لا مسرح الألم. ولا يزال المسار اللمسي يؤدي عمل الاستشعار العادي المتمثل في تحديد الموضع والشدة. أما المسار المستوحى من الألم فيؤدي العمل الأقل اعتيادًا، إذ يشير إلى أن الضغط نفسه استمر طويلًا جدًا أو عاد سريعًا جدًا بعد أذى.

ويفسر هذا الفصل أيضًا تواضع النموذج الأولي. فالطرف الكامل سيكون عليه أن يقرر ماذا يفعل بالتحذير: يتوقف، أو يغيّر موضعه، أو يتكلم. أما الوظيفة الأولى لهذه الطبقة فهي أن يكون التحذير موجودًا أصلًا. ويُظهر الانسحاب في اليد الروبوتية أن التحذير قادر على دفع فعل. أما داخل تجويف تحت الركبة، فالفعل المبلغ عنه هو إشارة — 86.4% من أحداث الانزعاج القصيرة و90.9% من الأحداث المطوّلة — وليس عرجًا ذاتيًا.

لاسلكية، بمواصفات طبية، وعلى نطاق أكبر

قال وو إن بناءً لاسلكيًا بمواصفات طبية وتجارب أكبر لا تزال مطلوبة.

تلك الجملة هي حدود القصة. فالنموذج الأولي الذي وصفته ScienceAlert لا يزال مختبريًا وصغيرًا بما يكفي كي لا يتظاهر المؤلفون بأنه منتج. وتهم اللاسلكية لأن السلك الخارج من التجويف قد يعلق ويتعرض للعرق ويتعطل. وتهم المواصفات الطبية لأن الطبقة التي تلامس جلد الطرف المتبقي يجب أن تتحمل التنظيف والحمل الدوري، وأن تضمن ألا تتحول إلى طفح أو حافة حادة أو دائرة قصر. وتهم التجارب الأكبر لأن ثلاثة تجاويف تحت الركبة وأربع نقاط لا يمكنها أن تمثل نطاق الأطراف المتبقية أو مستويات النشاط أو تصميمات التجاويف في العالم.

وحتى وجود هذه الأمور الثلاثة، فإن القراءة الصادقة هي التي يدعمها البحث بالفعل. فقد بنى باحثون في جامعة تشجيانغ للتكنولوجيا طبقة مستشعرات مستوحاة من الأحياء للجزء الداخلي من تجويف طرف اصطناعي. وأفادت ScienceAlert بذلك نقلًا عن Cyborg and Bionic Systems. الطبقة ليست طرفًا. إنها تراقب موضع الضغط وشدته ومدته. ولديها خريطة لمسية ومجموع مستوحى من الألم. ويستخدم المجموع ترانزستورات شبيهة بالمشابك العصبية تصبح أكثر حساسية بعد إدخال يشبه الإصابة. وفي يد روبوتية، كان 10 كيلوباسكالات غير مؤذٍ عند 0.21 ثانية، ومحفزًا للانسحاب عند 0.49 ثانية، وأدى إلى انسحاب مدته 0.06 ثانية بعد ذلك الحدث. وفي ثلاثة تجاويف تحت الركبة، عند أربع نقاط، رصدت الطبقة 86.4% من الانزعاج القصير و90.9% من الانزعاج المطوّل. وهي لا تشعر بالألم ولا تسببه. بل تنسخ بعض قواعد استقبال الألم. أما الباقي فلا يزال يتعين بناؤه.

والباقي هو أيضًا الجزء الذي سيقرر ما إذا كان هذا سيظل بحثًا أم يصبح أداة في غرفة الملاءمة. فالبناء اللاسلكي بمواصفات طبية هو مسألة هندسية. أما التجارب الأكبر فهي أشخاص — مزيد من التجاويف، ومزيد من الأطراف المتبقية، وساعات مشي أكثر مما يستطيع عرض تجريبي استيعابه. وقد سمّى وو الأمرين. أما طبقة المستشعرات، بصورتها الحالية، فتؤدي بالفعل الشيء الأضيق الذي يعد به العنوان. لقد صُممت للتحذير قبل إصابة الأنسجة. وأظهرت، على روبوت وفي ثلاثة تجاويف تحت الركبة، أن الزمن والذاكرة يمكن أن يكونا جزءًا من ذلك التحذير، لا مجرد رقم ذروة على مقياس.