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Una llamada de atención para los Comités de Ética Clínica

La consideración de que las vidas de algunos enfermos pierden de alguna forma y por su dependencia absoluta su dignidad de personas, mueve a algunos clínicos, hospitales y comités de bioética clínica, a retirar tratamientos terapéuticos y de soporte, aun cuando los pacientes o sus familias desean mantenerlos. Un juez del Tribunal Superior Inglés ha criticado al Comité de Ética Clínica (CEC) del Great Ormond Street Hospital de Londres por no involucrar a los padres de un niño de nueve años en el proceso de toma de decisiones (ver AQUÍ). El niño sufría problemas renales, pulmonares, cerebrales e intestinales graves que le habían obligado a ingresos hospitalarios continuados, habiendo pasado solo 16 días en su casa en los últimos siete años. Como resultado del deterioro de su estado, desde el Servicio Nacional de Salud británico (NHS Trust) se presentó una solicitud urgente al Tribunal Superior para limitar los tratamientos, aunque los padres eran partidarios de mantenerlos, manifestado su desacuerdo con el equipo médico. El Comité de Ética Clínica del hospital concluyó que los tratamientos invasivos adicionales no favorecían el interés superior del niño, prescindiendo de la opinión de los padres. En su sentencia, el juez manifestó lo siguiente: “Considero que la falta de participación de los pacientes y/o sus familias es en sí misma una cuestión de ética médica y lo que más me sorprende es que no exista una guía para asegurar su implicación y participación”. La Corte puntualizó que “la ausencia de cualquier consulta previa o participación de la familia, no puede ser una buena práctica y, en general, debería ser inaceptable. Incluso en las decisiones tomadas apresuradamente, deben tenerse en cuenta las opiniones del paciente y/o familiares cercanos, que podrían expresarse a través de algunas notas escritas o cartas enviadas en su nombre. Debe haber una guía sobre la participación del paciente/familia y un protocolo claro de cómo y cuándo se les informa sobre las decisiones que se están implementando, para que un Comité de Ética se reúna y se les informe sobre el resultado”. Los planteamientos utilitaristas, desgraciadamente muy extendidos en los países desarrollados, ponen de manifiesto con este tipo de actuaciones, una tendencia a devaluar la vida de aquellos enfermos crónicos o terminales, que, sin posibilidad de recuperación, causan enormes gastos a los sistemas públicos de salud. La consideración de que las vidas de estos enfermos pierden, de alguna forma y por su dependencia absoluta, su dignidad de personas, mueve a algunos clínicos, hospitales y comités de bioética clínica, a retirar tratamientos terapéuticos y de soporte, aun cuando los pacientes o sus familias desean mantenerlos. La calidad de vida debe medirse por el nivel de logro existencial más que por el nivel de dependencia o vulnerabilidad. La dignidad humana no mengua ante la enfermedad ni es devaluada por la vulnerabilidad o dependencia personales, debiendo evitarse criterios utilitaristas a la hora de suministrar cuidados a las personas sufrientes. Un tema diferente es la obstinación terapéutica, en la que la aplicación de ciertos tratamientos no contribuye más que a incrementar el sufrimiento del paciente, sin ofrecerles ningún beneficio. Pero no parece que sea este el caso expuesto en esta ocasión.

Abstracto

 La piel humana es el órgano sensorial más grande, compuesto por sensores complejos que detectan estímulos nocivos para enviar rápidamente señales de advertencia al sistema nervioso central para iniciar una respuesta motora. Es complejo imitar las características clave de la piel utilizando sensores táctiles existentes, y no existe un somatosensor que responda a estímulos reales de presión, temperatura y tacto. En este documento, se demuestran experimentalmente tres receptores cutáneos críticos creados al realizar sistemas electrónicos integrados que imitan la respuesta de retroalimentación de los somatosensores. Los nociceptores, termorreceptores y corpúsculos de Pacini completamente funcionales se obtienen mediante una combinación de sensores de presión extensibles, películas delgadas de óxido de cambio de fase y elementos de memoria de conmutación resistiva (memristor) basados ​​en umbrales. La capacidad de detectar y responder a la presión, temperatura, y los estímulos de dolor por encima de un umbral con características de desempeño de la vida real se demuestran con una explicación de los mecanismos subyacentes. La capacidad de diseñar y realizar receptores de piel artificiales permite el reemplazo de las regiones de piel humana afectadas, aumentar la sensibilidad de la piel para aplicaciones ágiles en defensa y deportes, e impulsar avances en robótica inteligente.

1. Introducción

La piel es el órgano sensorial humano más grande que cubre todo el cuerpo. Cada región de la piel está llena de sensores (somatosensores), que detectan estímulos externos y miden activamente el nivel de dichos estímulos. [ 1 ]

La retroalimentación sensorial de la piel es indicativa de salud. Por ejemplo, los pinchazos se utilizan para estudiar la respuesta de un sistema nervioso para evaluar el grado de parálisis por daño nervioso. Los receptores de piel artificial que demuestran tal capacidad de retroalimentación son parte integral de los avances en el cuidado de la salud y la robótica inteligente. [ 2 ] Dichos receptores pueden reemplazar a los receptores dañados, aumentar la sensación de estímulos específicos o servir como mecanismo de retroalimentación para las interfaces hombre-máquina o máquina-máquina.

Los receptores cutáneos más frecuentes y críticos se relacionan con la presión, la temperatura y el dolor [ 1 ]: el corpúsculo de Pacini, [ 3 ] termorreceptor, [ 4 ] y nociceptor, [ 5 , 6 ] respectivamente. Todos estos receptores detectan estímulos, miden niveles de estímulos y transmiten señales al cerebro que desencadenan reacciones. El principio de funcionamiento es como otras sensaciones comunes, como la visión, el oído, la sensación somática, el gusto y el olfato (olfato). [ 7 ]

Los rasgos característicos del sistema sensorial humano son bastante complejos para ser imitados por sensores táctiles existentes (sensores exteroceptivos) [ 8 ] y procesamiento de datos basado en dispositivos semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS) tradicionales en los que la reducción es limitada. [ 9 ] El informe sobre un sistema de nervios aferentes con picos artificiales (ASAN) que puede convertir la señal analógica de sensores artificiales en picos en redes neuronales con picos hace un llamamiento para el desarrollo de un sistema sensorial artificial completamente funcional. [ 10 ]Muy recientemente, se ha reportado un nociceptor artificial basado en un memristor difusivo, que puede exhibir el estado normal que consiste en conductas de umbral y relajación, y un estado anormal con conductas de alodinia e hiperalgesia del nociceptor usando los estímulos como voltaje. [ 11 - 14 ] Estos hallazgos son particularmente importantes, porque el mecanismo de conmutación del memristor depende de los filamentos conductores, que tienen un diámetro aproximadamente subnanométrico. [ 15 ] Aprovechando el módulo termoeléctrico [ 14 ] y el módulo de presión piezoeléctrico, [ 12 ]Se han demostrado con éxito los comportamientos de umbral y relajación entre las cuatro funcionalidades básicas del nociceptor. El marco conceptual desarrollado para diferentes memristores no se convirtió por completo para la alodinia y la hiperalgesia utilizando el módulo termoeléctrico y el módulo de presión piezoeléctrico. Actualmente, se reporta un nociceptor optoelectrónico completamente funcional que incluye todos los comportamientos mencionados con un alto potencial para el ojo artificial. [ 11 ] Aún así, los cuellos de botella permanecen para demostrar el nociceptor completamente funcional para la piel con estímulos de la vida real, como la temperatura, la presión y el dolor. Aunque se están desarrollando cada vez más sensores a nanoescala que utilizan nanomateriales 1D, 2D y 3D jerárquicos, [ 16 - 20 ]el procesamiento de datos de los sistemas sensoriales existentes sigue siendo voluminoso. Además, para adquirir los cuatro estados del nociceptor (umbral, relajación, alodinia e hiperalgesia), se requieren múltiples unidades de circuito CMOS. [ 21 ] Los memristores, que imitan las características del sistema nervioso humano, [ 22 ] esencialmente pueden resolver el cuello de botella debido a su excepcional rendimiento de conmutación en una escala subnanométrica. [ 15 , 23 ]Por tanto, es de gran importancia científica y tecnológica desarrollar un somatosensorial, que responda frente a estímulos de la vida real en forma de presión, temperatura y dolor, aprovechando el memristor como unidad fundamental. La replicación del somatosensor puede allanar nuevos caminos en el desarrollo de electrónica similar a la piel y robots similares a los humanos. Aquí, informamos receptores electrónicos artificiales que imitan el corpúsculo de Pacini, el termorreceptor y el nociceptor. Esto se logra mediante una combinación de múltiples unidades funcionales: un memristor de toma de decisiones basado en titanato de estroncio deficiente en oxígeno SrTiO 3– x (STO), un sensor de presión basado en oro sobre elastómero estirable (polidimetilsiloxano [PDMS]) y un sensor de presión de fase - óxido de cambio (óxido de vanadio, VO 2) Disparador de temperatura. A diferencia de los artículos informados anteriormente, no necesitamos un módulo termoeléctrico complejo y separado, y un sensor de presión piezoeléctrico para la traducción práctica de somatosensores conceptuales. Por lo tanto, el trabajo combina películas delgadas de óxido de bajo costo, fácilmente disponibles y compatibles con la fabricación y sensores de presión portátiles en PDMS biocompatibles para crear un dispositivo que realiza de manera autosuficiente operaciones clave de la piel de "detección".

STO ha sido seleccionado como el material memristivo representativo, ya que ofrece un excelente rendimiento de memoria con altas relaciones de encendido / apagado, repetibilidad, resistencia y retención. [ 24 - 27 ] Se deposita a temperatura ambiente, lo que también brinda oportunidades para desarrollarse en plataformas flexibles y estirables. [ 27 ] El sensor de presión basado en PDMS se elige debido a las propiedades de estiramiento excepcionales, la naturaleza conforme y la sensibilidad muy alta a presiones inferiores a 3 kPa. [ 28 , 29 ] El VO 2 se selecciona debido a su capacidad para experimentar una transición de aislador a metal (IMT) con la temperatura. [ 30] Esta temperatura de transición se puede ajustar mediante una variedad de técnicas conocidas. Dopando W y Mo, la temperatura de transición del VO 2 se puede reducir aún más a la temperatura ambiente. [ 31 , 32 ] Esta característica única del VO 2 ofrece la posibilidad de crear termorreceptores y nociceptores artificiales basados ​​en el VO 2 . El sensor de presión basado en PDMS en combinación con memristor basado en STO puede imitar el comportamiento del corpúsculo de Pacini, mientras que los dispositivos basados ​​en VO 2 -STO pueden demostrar el termorreceptor y cuatro funcionalidades críticas del nociceptor.

2 Resultados y discusión

2.1 Marco conceptual para la creación de somatosensores artificiales

Hacia la implementación de receptores cutáneos artificiales, se desarrolló un marco hipotético para realizar el corpúsculo de Pacini funcional, termorreceptor y nociceptor ( Figura  1 ). [ 33 ]

Figura 1

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Principio de funcionamiento de los receptores artificiales biológicos e implementados. a) Receptor biológico para estímulo de presión para corpúsculo de Pacini y estímulo nocivo para receptor térmico y nociceptor. b) Corpúsculo de Pacini artificial cuando no se aplica presión con flujo de corriente moderado en ambos caminos del circuito. c) Corpúsculo de Pacini artificial bajo presión aplicada que muestra un flujo de corriente notablemente alto a través del memristor. d) Termorreceptor y nociceptor artificiales cuando no se aplica temperatura sin flujo de corriente a través del memristor. e) Termorreceptor artificial y nociceptor cuando se aplica temperatura, iniciando un filamento conductor (puntos rojos) en el memristor, lo que resulta en un alto flujo de corriente.

Los somatosensores humanos están conectados a través de cuernos dorsales a la médula espinal, que alimenta información al cerebro (Figura  1a ). Hay vías dedicadas para la detección de presión (mostradas en azul en la Figura  1a ) y para la temperatura (mostradas en rojo en la Figura  1a ).

Los corpúsculos de Pacini son las capas de membranas llenas de líquido. [ 4 ] Las huellas dactilares son un ejemplo visible de los corpúsculos de Pacini. Cuando se ejerce una presión local sobre el cuerpo, una parte del corpúsculo se deforma provocando un cambio de iones químicos (p. Ej., Sodio o potasio) y un potencial receptor resultante en el nervio terminal de la piel. [ 4 ] Este potencial receptor al alcanzar suficiente energía (umbral) genera un impulso eléctrico dentro del corpúsculo, que viaja a través del sistema nervioso central para activar la respuesta motora a través de fibras nerviosas (mostrado en azul en la Figura  1a ).

Cuando la temperatura de la piel se eleva por encima de los 30 ° C, el termorreceptor detecta el calor para comenzar a disparar los potenciales de acción. [ 34 ] La frecuencia de disparo aumenta con la temperatura del estímulo hasta que alcanza un valor de saturación. Por otro lado, los nociceptores térmicos , que detectan señales de dolor, comienzan a disparar a temperaturas de alrededor de 45 ° C. Se trata de células especializadas en detectar calor nocivo y quemaduras. [ 35 ] Cuando una neurona térmica ubicada en la terminación nerviosa libre recibe un estímulo nocivo, se envía una respuesta eléctrica al nociceptor para comparar si la amplitud cruza el umbral para generar un potencial de acción y enviarlo al sistema nervioso central a través dela médula espinal (que se muestra en rojo en la Figura  1a ).

Para hacer los receptores artificiales análogos, usamos sensores de presión basados ​​en oro y PDMS, que cambian entre el estado de baja resistencia (LRS) y el estado de alta resistencia (HRS) sin y con presión aplicada para imitar el corpúsculo de Pacini (Figura  1b, c ). Para replicar los comportamientos del termorreceptor y del nociceptor, utilizamos el VO 2 de cambio de fase , que puede pasar de HRS a temperatura ambiente a LRS por encima de la temperatura de transición de 68 ° C. Además, la memoria de conmutación resistiva basada en STO se utiliza para actuar como elemento de toma de decisiones para evaluar los niveles de umbral.

Para el corpúsculo de Pacini artificial, cuando no hay presión detectable, la corriente a través del memristor de toma de decisiones ( I 1 ) es insuficiente debido al voltaje de polarización para iniciar la respuesta motora (Figura  1b ). Al aplicar presión sobre el sensor, el sensor pasa al bloqueo HRS I 2 , que permite que la corriente máxima pase a través del memristor. Debido al I 1 más alto , el memristor basado en STO cambia a LRS (pocos kΩ). En consecuencia, una corriente más alta fluye a través del corpúsculo para iniciar la respuesta motora (Figura  1c ).

Para el termorreceptor y el nociceptor, el VO 2 puede demostrar un cambio de resistencia de tres a cuatro órdenes a la temperatura de transición. Por debajo de la temperatura de transición, es un aislante. Como tal, una cantidad insignificante de corriente fluye a través del receptor y el voltaje que aparece a través del memristor es insuficiente para encenderlo (Figura  1d ). Una vez que se alcanza la temperatura de transición, VO 2 cambia a LRS, lo que da como resultado un mayor potencial para aparecer a través del memristor, lo que hace que cambie a LRS. Cuando tanto el VO 2 como el STO están en LRS, la corriente elevada fluye a través del receptor (Figura  1e ).

2.2 Imitando el Corpúsculo de Pacini

Para construir un corpúsculo de Pacini de estado sólido artificial, usamos un memristor basado en STO deficiente en oxígeno con una estructura de pila de Pt (100 nm) / Ti (10 nm) / STO (55 nm) / Pt (25 nm) / Ti (7 nm) sobre un sustrato de SiO 2 . El memristor STO se comporta de manera similar al de nuestros informes anteriores. [ 27 ] Se utiliza el Ti inferior, como capa de adherencia del Pt inferior y el Ti superior como depósito de oxígeno, así como la capa de adherencia del Pt superior. Aunque el Pt inferior participa en el proceso de conmutación, el Pt superior actúa como material inerte para evitar la formación de TiO 2debido a la exposición al oxígeno ambiental. Los comportamientos representativos del memristor basado en STO se representan en la Figura S1, Información de apoyo. El diseño del sensor de presión está inspirado en el corpúsculo biológico de Pacini, que presenta una forma de espiral con un ancho de vía y un espacio de 100 μm. Toda la forma de espiral tiene 7,8 mm de diámetro. Para construir el sensor, depositamos Au (200 nm) / Cr (20 nm) en un PDMS de 300 μm de espesor (consulte la Sección 4 ). El equivalente artificial del corpúsculo con la integración de memristor y sensor de presión se muestra en la Figura  2a. La red de sensores de presión opera de tal manera que permite que un potencial receptor active el memristor, que funciona como un componente de toma de decisiones. Al alcanzar un potencial receptor suficiente, como el sistema biológico, el componente de toma de decisiones puede crear un impulso eléctrico para activar el motor del sistema nervioso central. Para imitar completamente esta funcionalidad con un valor de umbral específico, se requiere un grado de variación de presión del sensor de presión. Dado que este trabajo se centra en la demostración de prueba de concepto de los componentes somatosensoriales, solo discutimos sobre el procedimiento de trabajo del corpúsculo de Pacini sin presión y con presión fuerte. Se selecciona cuidadosamente una resistencia fija de 100 kΩ para limitar la corriente que pasa a través de la red del sensor de presión, que tiene una resistencia de solo 0,6 kΩ, para asegurar que el sistema muestre una corriente muy baja cuando no hay presión. Figura 2b muestra la respuesta y repetibilidad del sensor de presión autónomo. Al aplicar la presión de la punta de los dedos, el sensor de presión llega a muy HRS con una resistencia de alrededor de 1 GΩ debido a la deformación y las grietas, que son ocurrencias muy comunes para los sensores basados ​​en PDMS. [ 36 ] Debido a las deformaciones y grietas, el rendimiento del sensor de presión puede degradarse después de extensos ciclos de resistencia. Pero existen técnicas bien conocidas para mejorar la estabilidad del sensor de presión resistiva basado en PDMS. [ 37 ]Además, y lo que es más significativo, el rendimiento conceptual del corpúsculo de Pacini se puede lograr utilizando cualquier plataforma de detección de presión flexible incorporada en nuestra disposición propuesta (con resistencias eléctricas de los componentes optimizadas). Cuando se libera la presión, los espacios debidos a las grietas se vuelven a cerrar, creando el LRS, [ 26 ] mediante el cual el sensor vuelve a su estado inicial. Esto es similar al sensor biológico que se deforma, lo que resulta en un cambio de iones químicos cuando se ejerce presión. [ 4 ]Cabe señalar que el componente de toma de decisiones compuesto por un elemento de memristor basado en STO debe electroformarse inicialmente aplicando una polarización a una corriente de cumplimiento muy baja de 1 μA a los electrodos superior e inferior como en la Figura S1a, Información de apoyo. Este paso de electroformado crea un canal localizado para la formación de filamentos conductores a través de STO. Aunque se completa la formación, se requiere un barrido de voltaje para cambiar el dispositivo entre los estados HRS y LRS. Cuando se aplica un sesgo después de la electroformación en todo el corpúsculo para cambiar el memristor, el voltaje aparece en paralelo al memristor de toma de decisiones y la red de detección, que está en serie con la resistencia fija, mientras que la corriente se divide en las dos ramas. , como se muestra en la Figura  1b .

Figura 2

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Características de la respuesta del corpúsculo de Pacini artificial. a) El diagrama conectado de la fotografía y la imagen de microscopía óptica del sensor de presión en espiral con un diámetro de 7.8 mm y memristor con una capa de óxido de 60 × 60 μm 2 , respectivamente. b) La respuesta individual del sensor de presión. c) Respuesta eléctrica efectiva del corpúsculo sin y con presión. Diagrama de circuito equivalente d) sin ye) con la aplicación de presión, notando que el cambio en la resistencia del sensor de presión cambia las relaciones de corriente causando la conmutación del memristor.

Entonces, sin presión aplicada, la corriente que fluye a través del memristor es insuficiente para cambiarlo. Sin embargo, cuando se aplica la presión, la rama que contiene el sensor de presión pasa al estado HRS, lo que da como resultado el potencial receptor máximo a través del memristor, como se muestra en la Figura  1c . Al alcanzar el umbral de potencial del receptor, el memristor de toma de decisiones cambia del estado HRS al estado LRS, como se muestra en la Figura  2c . En este estado, la secuencia aplicada 0 → +0,85 V → 0 → 1,12 V → 0 cambia el dispositivo a LRS para el ciclo positivo y al estado HRS para el semiciclo negativo. Los circuitos equivalentes correspondientes se presentan en la Figura  2d, epara la elaboración del principio de funcionamiento desde una perspectiva de circuito. Para convertir el dispositivo en LRS, solo se considera el semiciclo positivo. Según la Figura  2d, cuando no se aplica presión, la red de sensores de presión tiene una resistencia total de 100,6 kΩ, mientras que el componente de toma de decisiones (memristor) que está en paralelo tiene una resistencia de 70 kΩ. Entonces, la resistencia equivalente de todo el corpúsculo de Pacini es 41.2 kΩ. Esta resistencia equivalente permite solo 0.02 mA de corriente a través de todo el circuito, lo que puede considerarse como el estado relajado. La aplicación de presión convierte la red del sensor de presión a un estado resistivo extremadamente alto de ≈1 GΩ, mientras que la resistencia del memristor es solo de aproximadamente 2.5 kΩ, alterando la resistencia equivalente de todo el corpúsculo alrededor de ≈2.5 kΩ. Este estado de baja resistencia permite una corriente ≥0,35 mA a través de todo el circuito. Para evitar confusiones, el circuito equivalente se presenta con y sin el memristor en la Figura S2, Información de apoyo, lo que ilustra claramente la importancia de incorporar el memristor en paralelo con la rama del sensor de presión. Entonces, el estímulo de presión genera una señal de respuesta, que es casi 18 veces más alta que el estado relajado, lo que puede permitir que el sistema nervioso central inicie su respuesta motora. Una vez que se logra la respuesta del motor, para inicializar el corpúsculo de Pacini, se puede aplicar una polaridad inversa al memristor usando las almohadillas de electrodo no utilizadas. Aunque hemos considerado escenarios de ausencia de presión y presión fuerte para la demostración del corpúsculo de Pacini en esta sección, la variación de temperatura y, por lo tanto, la operación de la respuesta de umbral se describen detalladamente para la nocicepción en la sección posterior. Es necesario realizar más trabajos para utilizar sensores de presión para controlar y modular con precisión la respuesta del corpúsculo de Pacini. El equivalente electrónico del mecanismo de conmutación del corpúsculo de Pacini se presenta en el Video S1, Información de apoyo.

2.3 Imitación del termorreceptor

Para construir el termorreceptor, usamos la misma pila de metal-aislante-metal (MIM) para memristor como se describe para el corpúsculo de Pacini. Una parte del electrodo superior se comparte con la superficie de VO 2 , como se muestra en la Figura  3a, b , para conectar el sensor térmico en serie. Para polarizar todo el dispositivo, esta capa de electrodo que comprende Pt (100 nm) / Ti (10 nm) se deposita sobre la superficie de VO 2 . Se mantiene una separación sustancial de 100 µm entre el electrodo fuente y el electrodo superior del memristor. Figura  3cmuestra el diagrama de conexión del termorreceptor donde la polarización se aplica a través del metal en el sensor térmico, y la tierra está conectada al electrodo inferior del memristor de toma de decisiones. La morfología y el análisis de composición de la película delgada de VO 2 mediante microscopía de fuerza atómica (AFM), espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) y espectroscopía Raman se describen en detalle en la información de apoyo, y los espectros correspondientes se muestran en la Figura S3-S5. , Información de soporte. La curva característica de resistividad versus temperatura de la transición de aislante a metal (IMT) de película delgada de VO 2 usando la técnica de sonda de cuatro puntos se representa en la Figura  3d. Es evidente que hay cuatro órdenes de magnitud en la caída de resistividad al alcanzar la temperatura de transición. La resistencia frente al tiempo también se muestra en la Figura S6, Información de respaldo. También se observa una histéresis térmica obvia a través de los ciclos de calentamiento y enfriamiento. Para evitar cualquier ambigüedad, medimos la curva de características I - V y, por lo tanto, la curva de resistencia versus voltaje de nuestro memristor basado en STO a temperatura elevada. No hay un efecto reconocible de la temperatura en la conmutación resistiva, como se muestra en la Figura  3e.. El memristor puede exhibir un cambio de resistencia de ≈100 kΩ a tan solo ≈2 kΩ durante el proceso de conmutación. Pero, para mayor claridad, consideramos la resistencia del estado HRS como 93 kΩ y la resistencia del estado LRS como 9 kΩ a 80 mV de voltaje de lectura ( V READ ), ya que la relación de conmutación máxima R OFF / R ON se observa a ese voltaje. La secuencia de voltaje de conmutación de nuestro dispositivo independiente es 0 → +0.65 V → 0 → 0.80 V → 0. Cuando se aplica la misma secuencia en todo el termorreceptor, la resistencia disminuye y, en consecuencia, la corriente del receptor aumenta con la temperatura elevada, como se muestra en la Figura  3f. Aunque la resistencia disminuye de todo el receptor, lo que permite una mayor caída de voltaje a través del óxido metálico, el memristor aún debe mostrar la curva de conmutación completa con una alta relación ON / OFF como una parte de las caídas polarizadas aplicadas a través del VO 2 .

figura 3

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Características de respuesta de los termorreceptores artificiales. a) Fotografía de los dispositivos fabricados yb) Imagen microscópica ampliada del termorreceptor que muestra que el VO 2 está conectado en serie al memristor. La capa de óxido de memristor tiene un tamaño de 60 × 60 μm 2 . c) Diagrama esquemático de la conexión. d) Bucle de histéresis para los ciclos de calentamiento y enfriamiento de VO 2 . e) Comportamiento de conmutación del memristor STO autónomo bajo temperaturas variables sin cambios notables en el comportamiento de conmutación. f) Comportamiento del termorreceptor a temperatura elevada. Aunque hay un cambio de dos órdenes de magnitud en la resistencia, el termorreceptor aún debe cambiar de 0 a ± 0,8 V, ya que una parte del voltaje de polarización aplicado cae a través del VO 2 .

Para permitir el voltaje de conmutación requerido, mantenemos el receptor a 70 ° C para asegurarnos de que el VO 2 esté en el estado LRS. Luego, la aplicación de voltaje de polarización de 0 a ± 2 V SET y RESET completamente el dispositivo, como se muestra en la Figura  4a . El termorreceptor está dominado por la respuesta térmica de la serie VO 2 . Para el memristor de toma de decisiones, la resistencia original de 93 kΩ es mucho menor que el HRS del sensor térmico, que es de 11 MΩ; por lo tanto, el voltaje parcial que aparece a través del memristor de toma de decisiones no puede alcanzar V SETumbral para transformarlo de HRS a LRS (según la regla del divisor de voltaje). Por lo tanto, tanto el sensor térmico como el memristor están en estado HRS, lo que permite un flujo de corriente mínimo a través del termorreceptor, como se muestra en la Figura  4b (i). Cuando se aplica una temperatura crítica de 70 ° C, la resistencia del sensor térmico disminuye en cuatro órdenes de magnitud; por lo tanto, el voltaje parcial del memristor aumenta gradualmente al voltaje SET con el aumento de la respuesta del receptor, como se muestra en la Figura  4b (ii). Una vez que se logra V SET para encender el memristor, pasa a LRS desde HRS con una resistencia de 9 kΩ, como se muestra en la Figura  4b(iii). Entonces, la respuesta máxima del receptor se genera en esta etapa. El LRS de la memoria se mantendrá durante mucho tiempo aunque el estímulo térmico se elimine por completo. Para reprogramar el memristor, un voltaje V RESET negativo puede borrarlo de LRS a HRS, como se muestra en la Figura  4b (iv). Para lograr esto, el voltaje negativo se puede aplicar desde las almohadillas de electrodos sin usar, como se muestra en la Figura  3c . Esta secuencia muestra la secuencia funcional completa de un termorreceptor, al tiempo que señala que el umbral de temperatura se puede adaptar en función de las aplicaciones (por ejemplo, la transición de VO 2 se puede reducir a ≈40 ° C al incluir dopantes, como W o Mo). [ 31 , 32 ]

Figura 4

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Conmutación de termorreceptores y su mecanismo. a) El termorreceptor que muestra el ciclo de conmutación a un voltaje más alto aplicado para superar la caída de voltaje en el VO 2 . b) Representación esquemática de diferentes condiciones para la conmutación: (i) tanto el termistor y el memristor de toma de decisiones en estado de alta resistencia, (ii) el termistor se transforma a un estado de baja resistencia al aplicar estímulos por encima del umbral y el memristor todavía está en estado de alta resistencia, (iii) tanto el termistor como el memristor de toma de decisiones en estado de baja resistencia para permitir la máxima respuesta, y (iv) para reprogramar el memristor se aplica polaridad de voltaje opuesta para cambiar el memristor al estado de alta resistencia, mientras que los estímulos se retiran para inicializar el sensor térmico.

2.4 Imitando al Nociceptor

Entre todos los demás receptores, el nociceptor es un receptor crítico y distinguible que genera una señal de dolor al sistema nervioso central para iniciar una respuesta motora. Los nociceptores están disponibles en todo el cuerpo humano y se encuentran al final del axón de la neurona sensorial. Para evitar el impacto de los estímulos nocivos, el nociceptor responde de dos formas particulares: condiciones normales y anormales. En condiciones normales, cuando el nervio que termina en la piel recibe un estímulo nocivo, la señal de respuesta se envía al nociceptor para comparar si la señal está por encima de un cierto valor umbral y decidir si es necesario generar un potencial de acción en el sistema nervioso central. sistema. En esta condición normal, el nociceptor se apaga lentamente durante un período de tiempo, conocido como proceso de relajación. Usando este umbral y proceso de relajación, el nociceptor aísla el cuerpo de cualquier impacto crítico y continuo no deseado de los estímulos. Por otro lado, una condición anormal ocurre cuando el cuerpo se enfrenta a estímulos cercanos al umbral dañino del nociceptor, y bajo esta condición, el nociceptor funciona como un receptor común para evitar daños mayores. En caso de lesión, aumenta la vulnerabilidad del tejido afectado. El sistema nociceptivo se adapta a esta vulnerabilidad mejorada al reducir localmente el umbral nociceptivo y facilitar la respuesta nociceptiva, asegurando así una protección adecuada de los tejidos. el nociceptor funciona como un receptor común para evitar daños mayores. En caso de lesión, aumenta la vulnerabilidad del tejido afectado. El sistema nociceptivo se adapta a esta vulnerabilidad mejorada al reducir localmente el umbral nociceptivo y facilitar la respuesta nociceptiva, asegurando así una protección adecuada de los tejidos. el nociceptor funciona como un receptor común para evitar daños mayores. En caso de lesión, aumenta la vulnerabilidad del tejido afectado. El sistema nociceptivo se adapta a esta vulnerabilidad mejorada al reducir localmente el umbral nociceptivo y facilitar la respuesta nociceptiva, asegurando así una protección adecuada de los tejidos.

El nociceptor exhibe dos comportamientos distinguidos en condiciones anormales: alodinia e hiperalgesia. La alodinia produce una señal de respuesta en un valor por debajo del umbral, mientras que la hiperalgesia genera una señal de respuesta más fuerte en el valor por encima del umbral, lo que indica que, en la condición anormal, no hay umbral para el nociceptor. Ahora demostramos las funcionalidades de nuestro dispositivo que funciona como nociceptor en condiciones normales y anormales.

Para observar los comportamientos en condiciones normales en nuestro termorreceptor artificial, que funciona como nociceptor durante estímulos nocivos, cambiamos el dispositivo al LRS y leemos el dispositivo a una V LECTURA de 80 mV. Dado que la activación del nociceptor biológico depende en gran medida de la intensidad del estímulo, se aplica un tren de estímulos de pulso de temperatura con diferentes intensidades que van desde 66 a 82 ° C sobre el nociceptor artificial, como se muestra en la Figura  5a . La Figura  5b demuestra la señal de respuesta con respecto a la intensidad térmica aplicada. Cabe señalar que el nociceptor no se enciende hasta que el pulso de temperatura alcanza los 68 ° C, que es la temperatura de transición de nuestro VO 2 . Entonces, cuando el VO 2pasa al LRS debido a la transición inducida por la temperatura, la corriente más alta comienza a fluir a través de todo el circuito. Esto es similar al comportamiento umbral de un nociceptor biológico, que genera un potencial de acción desencadenante del cerebro por encima del valor del estímulo crítico. Un incremento adicional de la intensidad del estímulo por encima del umbral da como resultado una corriente mayor. Esto es consistente con una neurona nociceptiva biológica, que muestra una mayor intensidad de respuesta correspondiente al estímulo nocivo más alto. La Figura  5c muestra los estímulos de calentamiento y enfriamiento y la señal de respuesta correspondiente a 68 ° C. La figura  5d representa la disminución de la señal de respuesta a lo largo del tiempo después de que se retiran los estímulos nocivos, lo que se denomina proceso de relajación. Este proceso está completamente determinado por la VO2 , ya que no hay influencia de la temperatura en el memristor basado en STO, como se describe en la Figura  3e , y retiene su LRS hasta que se aplica el pulso de reprogramación. Debido a la tendencia creciente de la resistencia del VO 2 a medida que la temperatura disminuye con el tiempo, el nociceptor artificial limita la corriente a través del circuito y, por lo tanto, observamos la magnitud reductora de las señales de respuesta. La señal de respuesta más fuerte debido a los estímulos más altos tarda relativamente más en relajarse por completo. Por ejemplo, la señal de respuesta de 68 ° C tarda 100 s en alcanzar la corriente base de 0,5 μA, mientras que la señal de respuesta de 80 ° C correspondiente no puede relajarse por completo en 100 s. La experiencia humana puede aclarar el comportamiento, ya que el dolor más fuerte suele tardar más en desaparecer.

Figura 5

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Características de respuesta de los nociceptores artificiales. a) Pulsos de estímulo térmico aplicados en el nociceptor yb) respuesta eléctrica correspondiente. El nociceptor muestra respuesta solo a una temperatura de 70 ° C, el umbral IMT para el VO 2 . c) Vistas ampliadas del estímulo y la señal de respuesta correspondiente. d) La señal de respuesta se reduce con el tiempo mostrando el comportamiento de relajación del nociceptor.

Para observar los comportamientos en condiciones anormales, aplicamos una intensidad de estímulo mucho más fuerte a nuestro nociceptor artificial en comparación con la condición normal. Calentamos el nociceptor a 90 ° C a una velocidad de aceleración de 20 ° C min −1y enfriado a 60 ° C, que es menor que el valor umbral de 68 ° C en las condiciones normales de nuestro dispositivo. Elegimos 60 ° C, porque la sensibilización de la terminación nerviosa nociceptiva conduce a un cambio en la función de estímulo-respuesta a intensidades de estímulo más bajas, lo que ocurre típicamente en caso de una lesión. Por ejemplo, en la piel quemada por el sol, la sensibilización amplificada de la terminación nerviosa da como resultado un umbral más bajo. Después de eso, calentamos el nociceptor nuevamente de 60 a 90 ° C para ver si se generan el umbral reducido y la respuesta amplificada, que son las propiedades básicas de la alodinia y la hiperalgesia. El 60 → 90 → 60 → 90 ° C se aplica a través del VO 2 independiente y también a todo el nociceptor que contiene VO 2y pila MIM basada en STO para comparar sus respuestas. Las señales de respuesta se muestran en la Figura  6a, b , correspondientemente. Puede verse claramente que la señal de respuesta es mucho más lineal a través del VO 2 (Figura  6a ) en comparación con la de todo el nociceptor, como se muestra en la Figura  6b . Esto es racional en el sentido de que a este estímulo más alto, el VO 2 está en un estado casi metálico con una resistencia relativamente baja de ≈5 kΩ después de la transición. Además, el voltaje de polarización V READ (80 mV) aplicado sintoniza eléctricamente el VO 2 para hacerlo más metálico, lo que da como resultado la respuesta lineal. [ 38 ]Por otro lado, cuando aparece la misma polarización V READ en todo el nociceptor, de acuerdo con la regla del divisor de voltaje, la caída máxima de voltaje ocurre en el memristor, que está en estado LRS (≈9 kΩ). En esta etapa, el voltaje que aparece a través del VO 2 no es suficiente para mostrar la respuesta lineal. Como resultado, el comportamiento no es lineal. La Figura  6c muestra una representación esquemática de los comportamientos de alodinia e hiperalgesia, que revelan que en un sistema biológico, la intensidad de la respuesta es mayor en el estado anormal para el umbral inferior (alodinia) y el umbral superior (hiperalgesia) de la intensidad del estímulo. Figura  6dmuestra la respuesta con respecto a dos ciclos de calentamiento de la secuencia 60 → 90 → 60 → 90 ° C y revela que la respuesta para el segundo ciclo de calentamiento se amplifica y el umbral se reduce. El comportamiento de la alodinia por debajo del umbral de intensidad y el comportamiento de la hiperalgesia por encima del umbral de intensidad de 70 ° C se pueden observar claramente a partir de la respuesta de nuestro nociceptor artificial. El comportamiento resultante para la misma secuencia pero a diferentes velocidades de rampa también se presenta en la Figura S7, Información de apoyo. Por lo tanto, al reducir el umbral y amplificar la intensidad de la respuesta, el nociceptor habilita y refuerza las respuestas conductuales protectoras, como la retirada o la evitación de los estímulos dolorosos agudos.

Figura 6

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Comportamientos críticos de alodinia e hiperalgesia del nociceptor. a) La secuencia de calentamiento-enfriamiento-calentamiento por encima del umbral a través del VO 2 solo muestra un comportamiento lineal debido al comportamiento metálico del VO 2 . b) La misma secuencia de calentamiento-enfriamiento-calentamiento a través del nociceptor muestra un comportamiento no lineal. c) Comportamiento típico de respuesta versus estímulo en estado normal y dañado (re-dibujado en base al estudio anterior [13] ). d) La imitación de alodinia e hiperalgesia como nociceptor biológico real. Las velocidades de rampa de temperatura utilizadas en todos los experimentos presentados aquí son 20 ° C min −1 .

3 Conclusión

En resumen, demostramos somatosensores artificiales de estado sólido con las funcionalidades críticas y distinguibles representativas como el corpúsculo de Pacini, el termorreceptor y el nociceptor con respecto a los estímulos de la vida real. El efecto de la presión, la temperatura y el dolor sobre los receptores genera una corriente de respuesta considerable. Esto sirve como un mecanismo de retroalimentación preciso para imitar las propiedades reales de la piel en la piel electrónica artificial para aumentar o compensar la piel humana o para el desarrollo de humanoides realistas. Las funciones críticas y muy complicadas de la señal de dolor, como el umbral, la relajación, la alodinia y la hiperalgesia, son imitables debido a la excelente combinación de VO 2,que cambia debido a estímulos térmicos y memristor basado en STO, que no se ve afectado por estímulos térmicos. La experimentación adicional para desarrollar los receptores en un sustrato blando / estirable permitirá la realización de un somatosensor similar a la piel. La prueba de resistencia de las plataformas extensibles ayudará a explorar la longevidad del rendimiento de los sensores en la piel. Esta demostración excepcional e imitación de la funcionalidad compleja de la somatosensibilidad permitirá nuevos paradigmas en tecnologías de ingeniería neuromórfica y detección bioinspiradas.

4 Sección experimental

Fabricación de sensores de presión

El PDMS se preparó mezclando Sylgard 184A (base) y Sylgard 184B (agente de curado) fabricado por Dow-Corning en una proporción de 10: 1, eliminando las burbujas de aire atrapadas en un desecador de vacío y curando a temperatura ambiente durante 24 h en un oblea de Si limpiada. Se realizó un proceso de fotolitografía de despegue para definir electrodos metálicos con un alineador sin máscara (MLA; Heidelberg Instruments) con fotorresistente AZ1512. Las estructuras se diseñaron como una resistencia en forma de espiral de dos terminales con un espacio y un ancho de vía de 100 μm. Después de revelar la fotorresistencia, se depositó Au (200 nm) con una capa de adhesión de Cr (20 nm) mediante evaporación por haz de electrones (Kurt J. Lesker PVD75 Pro-line) a una presión de 1,5 × 10 −7  Torr, una tasa de deposición de 0,3 Å s −1ya temperatura ambiente. Las estructuras funcionales en espiral se lograron con el proceso de despegue utilizando acetona. Luego, el PDMS con las estructuras metálicas estampadas se despegó cuidadosamente de la oblea de Si para crear un sensor de presión independiente.

Memristor basado en STO

Los memristores basados ​​en STO se fabricaron mediante procesos de fotolitografía estándar, deposición de película delgada de óxido, deposición de electrodos superior e inferior y proceso de despegue para cada paso. α ‐STO de 55 nm de espesor se depositó mediante pulverización catódica por radiofrecuencia (RF) (sistema de pulverización catódica Kurt J. Lesker PVD75) en una atmósfera de 100% Ar a una presión de proceso de 3,5 × 10 −7  Torr a temperatura ambiente a partir de un objetivo STO cerámico comercial (99,95%, Testbourne Ltd) utilizando 200 W RF (13,54 MHz). [ 39 , 40 ] El Pt inferior (25 nm) en Ti (7 nm) y el Pt superior (100 nm) en Ti (10 nm) se depositaron a una velocidad de 0,3 Å s -1 por evaporación por haz de electrones.

Deposición de VO 2

Se depositaron películas delgadas de dióxido de vanadio (VO 2 ) sobre un fotorresistente AZ1512 con patrón en una oblea de SiO 2 limpiada con plasma utilizando pulverización catódica con magnetrón de corriente continua pulsada (sistema de pulverización catódica Kurt J. Lesker PVD75) a una presión base de 4.0 × 10 -7  Torr, una pulverización catódica presión de 2.8 × 10 −3  Torr, una potencia de 200 W, y con una presión parcial de oxígeno del 30% en un ambiente de Ar. Después de realizar el despegue para lograr un patrón de VO 2 , la muestra se recoció a una presión de 250 mTorr y a una temperatura de 550 ° C durante 90 min. [ 28 ] El espesor de VO 2 resultante de la deposición de 30 minutos fue de 50 nm.

Fabricación del dispositivo receptor

Para fabricar el termorreceptor funcional y el nociceptor, se requirió que el VO 2 y el memristor estuvieran conectados en serie. El VO 2 se depositó y se modeló como la primera capa. Para la fuente de alimentación, se depositó un electrodo que comprende Pt (100 nm) sobre Ti (10 nm) sobre VO 2 después de la fotolitografía. Como el grosor del VO 2 es de 50 nm y el electrodo superior del memristor es de 110 nm, el dispositivo se fabricó de tal manera que el electrodo superior del memristor superpuso una porción de película delgada de VO 2 . Se mantiene un espacio de 100 μm entre el electrodo superior y el electrodo de suministro.

Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X

El análisis XPS se llevó a cabo con un instrumento Thermo Scientific K-Alpha equipado con una fuente de radiación de aluminio K α con una energía de 1486,7 eV. Los espectros elementales a nivel del núcleo se obtuvieron de una película delgada de VO 2 desnuda depositada directamente sobre el sustrato de SiO 2 . La superficie del VO 2 en SiO 2 se limpió in situ con Ar a alto vacío (<5 × 10 −8 Torr) antes de recopilar datos utilizando un haz de rayos X de 400 μm de diámetro. Se aseguró que la limpieza asistida por Ar provocara una eliminación mínima de oxígeno mediante un paso de fresado de Ar corto (<5 s) con una energía de haz baja (<200 eV). Se hizo referencia a las energías de enlace de todos los elementos principales correspondientes a la energía de enlace de carbono adventicia (C 1s) de 285 eV. La función estándar gaussiana-lorentziana seguida de la corrección de fondo de Shirley se utilizó para resolver todos los espectros.

Espectroscopía AFM y Raman

La topografía y la rugosidad de la superficie de la película delgada de VO 2 se evaluaron utilizando un microscopio de fuerza atómica Digital Instruments D3100 en modo de roscado. La composición de VO 2 se obtuvo un cristal utilizando un LabRAM HR Evolución espectrómetro Raman (excitación láser a 532 nm con un 50 ×  objetivo). El tiempo de adquisición y las acumulaciones para las mediciones fueron 20 sy 10, respectivamente.

Caracterización eléctrica

Se utiliza una sonda Jandel cilíndrica de cuatro puntos para medir el IMT. Se utiliza una etapa Linkam para calentar y enfriar durante la medición. Las características I - V para todos los receptores se llevaron a cabo en una atmósfera ambiente utilizando un sistema de caracterización de semiconductores de medidor de fuente Agilent B2912A para mediciones de dos sondas.

Agradecimientos

Los autores agradecen la financiación de proyectos y personal del Australian Research Council a través de DE160100023. Se reconoce el apoyo de becas del programa Australiano de Posgrado (APA) / Programa de Formación en Investigación (RTP) del gobierno australiano. Este trabajo se realizó en parte en el Micro Nano Research Facility de la RMIT University en el Victorian Node del Australian National Fabrication Facility (ANFF). Se agradecen las instalaciones y el apoyo técnico de RMIT Microscopy and Microanalysis Facility (RMMF), un nodo de Microscopy Australia. Los autores reconocen la financiación de equipos del Australian Research Council a través de LE150100001.

Conflicto de intereses

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.