In-vivo actuation of compliant dielectric elastomer artificial muscles via a peripheral nerve interface

कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ आपके शरीर की अपनी वायरिंग सीधे आपके भीतर लगाए गए एक छोटे, कृत्रिम मांसपेशी (synthetic muscle) को नियंत्रित कर सकती है। यह विज्ञान कथा नहीं है; यह "फ्लेक्सिबल बायोइलेक्ट्रॉनिक्स" का अत्याधुनिक क्षेत्र है, जो हमारे कोमल, लचीले जीव विज्ञान और मशीनों की कठोर, सख्त दुनिया के बीच के अंतर को पाटने की कोशिश कर रहा है। वर्षों से, वैज्ञानिक ऐसे सेंसर बनाने में माहिर रहे हैं जो हमारी नसों को सुन सकते हैं, उन विद्युत फुसफुसाहटों को डिकोड कर सकते हैं जो हमारी उंगलियों को हिलने या हमारी आँखों को झपकने का निर्देश देती हैं। लेकिन ऐसी मशीनें बनाना जो हमारे ऊतकों (tissues) से वापस बात कर सकें—वास्तव में उन्हें उसी कोमल स्पर्श के साथ धकेल सकें, खींच सकें या दबा सकें जैसा कि एक असली मांसपेशी करती है—एक बहुत बड़ी सिरदर्द रही है। समस्या यह है कि अधिकांश कृत्रिम मांसपेशियां या तो बहुत सख्त होती हैं (जैसे एक रोबोटिक हाथ) या वास्तविक त्वचा को हिलाने के लिए बहुत कमजोर होती हैं। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ता "डाइइलेक्ट्रिक इलास्टोमर एक्ट्यूएटर्स" (DEAs) की ओर देख रहे हैं। इन्हें सुपर-पतली, खिंचाव वाली रबर की चादरों के रूप में समझें जो कैपेसिटर (बिजली स्टोर करने वाले उपकरण) की तरह काम करती हैं। जब आप उन्हें उच्च वोल्टेज देते हैं, तो वे बीच में से दब जाती हैं और चौड़ाई में फैल जाती हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक असली मांसपेशी संकुचित होती है। बड़ा सवाल हमेशा से यह रहा है: क्या हम इन नाजुक, उच्च-वोल्टेज वाली रबर की चादरों को सुरक्षित रूप से एक वाटरप्रूफ सूट में लपेट सकते हैं, और उन्हें एक जीवित शरीर के भीतर सीधे एक तंत्रिका (nerve) द्वारा नियंत्रित करते हुए नृत्य करा सकते हैं?

यह शोध पत्र कहता है, "हाँ, हम कर सकते हैं," और उन्होंने इसे पहली बार एक जीवित जानवर के भीतर सफलतापूर्वक किया। स्टेफ़ानिया कॉन्स्टेंटिनिडी और उनकी टीम के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने चेहरे के पक्षाघात (facial paralysis) से पीड़ित लोगों को फिर से मुस्कुराने में मदद करने के लिए एक "कृत्रिम मांसपेशी" बनाने का लक्ष्य रखा। चेहरे का पक्षाघात एक कठिन स्थिति है जहाँ नसें उन मांसपेशियों से बात करना बंद कर देती हैं जो आपके मुंह को ऊपर खींचती हैं, जिससे चेहरा एक तटस्थ, कभी-कभी उदास अभिव्यक्ति में जम जाता है। वर्तमान उपचारों में अक्सर शरीर के अन्य हिस्सों से मांसपेशियों को स्थानांतरित करने के लिए जटिल सर्जरी शामिल होती है, जिसमें बहुत समय लगता है और उन्हें उपयोग करने के लिए अपने मस्तिष्क को फिर से प्रशिक्षित करने की आवश्यकता होती है। टीम ने एक नया, अधिक कोमल दृष्टिकोण परीक्षण करने का निर्णय लिया: एक छोटा, खिंचाव वाला इम्प्लांट जो त्वचा के ठीक नीचे बैठता है और मुस्कान लाने के लिए एक तंत्रिका से संकेत मिलने का इंतजार करता है।

सबसे पहले, उन्हें मांसपेशी को डिजाइन करना था। उन्होंने रबर की शीट का एक "सुदृढ़" (reinforced) संस्करण बनाया (जिसे rDEA कहा जाता है) जिसमें नरम कार्बन इलेक्ट्रोडों के बीच खिंचाव वाले सिलिकॉन की परतों को सैंडविच किया गया और इसे PET (वही प्लास्टिक जिसका उपयोग पानी की बोतलों में किया जाता है) से बने छोटे, मजबूत रेशों से सुदृढ़ किया गया। ये रेशे लकड़ी के दाने की तरह कार्य करते हैं, जिससे मांसपेशी एक विशिष्ट दिशा में खिंचती है, बिल्कुल वास्तविक मांसपेशी के रेशों की तरह। उन्होंने इनका परीक्षण मानव खोपड़ी के एक यथार्थवादी मॉडल पर किया जो नकली त्वचा (सिलिकॉन) से ढकी हुई थी। उन्होंने पाया कि जब उन्होंने वोल्टेज चालू किया, तो कृत्रिम मांसपेशी फैल गई, जिससे नकली त्वचा के मुंह के कोने को ऊपर की ओर खींचा गया। वे इसे वास्तविक चेहरे की त्वचा जैसे भार के तहत 14% तक खींचने में सफल रहे, जिससे सिद्ध हुआ कि यह अवधारणा डेस्कटॉप पर काम करती है।

फिर असली परीक्षण आया: इसे एक जीवित प्राणी के भीतर डालना। टीम ने इस प्रयोग के लिए सुस्त (anesthetized) चूहों का उपयोग किया। उन्होंने चूहे की पीठ पर उसकी त्वचा के नीचे एक छोटी सी पॉकेट बनाई और उसके भीतर छोटा, पूरी तरह से लिपटा हुआ कृत्रिम मांसपेशी डाल दिया। यह सुनिश्चित करने के लिए कि मांसपेशी वास्तव में त्वचा को हिला सके और केवल घर्षण के कारण फंस न जाए, उन्होंने एक विशेष अल्ट्रासाउंड जेल का उपयोग किया, जिसने एक लुब्रिकेंट की तरह काम किया, जिससे इम्प्लांट और त्वचा के बीच प्रतिरोध कम हो गया। जब उन्होंने 7 kV (किलोवोल्ट) का उच्च वोल्टेज लगाया, तो इम्प्लांट सफलतापूर्वक चूहे की त्वचा को धकेलने में सफल रहा, जिससे वह 0.78 मिमी तक हिल गया। यह सुनने में छोटा लग सकता है, लेकिन सूक्ष्म इम्प्लांट्स की दुनिया में, यह एक बड़ी छलांग है।

हालाँकि, सबसे रोमांचक हिस्सा "न्यूरल इंटरफेस" था। केवल रिमोट कंट्रोल के साथ स्विच चालू करने के बजाय, टीम चाहती थी कि चूहे का अपना तंत्रिका तंत्र ही काम करे। उन्होंने चूहे की सायटिक नर्व (पैर की एक प्रमुख नस) के चारों ओर एक लचीला कफ (एक छोटे ब्रेसलेट की तरह) लगाया। जब उन्होंने तंत्रिका को उत्तेजित किया, तो विद्युत संकेत कफ के माध्यम से यात्रा कर गया और कृत्रिम मांसपेशी को सक्रिय कर दिया। मांसपेशी ने वास्तविक समय में प्रतिक्रिया दी, तंत्रिका संकेत के साथ तालमेल बिठाते हुए त्वचा को हिलाया। उन्होंने 0.5 से 3 बार प्रति सेकंड की विभिन्न गति का भी परीक्षण किया, जो पलक झपकने या मुस्कुराने जैसी प्राकृतिक गतिविधियों की सीमा को कवर करता है। देरी बहुत कम थी—केवल कुछ दस मिलीसेकंड—जिसका अर्थ है कि सिस्टम वास्तविक मुस्कान की गति के साथ तालमेल बनाए रख सकता है।

टीम ने जिस एक चतुर तकनीक का उपयोग किया वह मांसपेशी के बारे में "उल्टा" सोचने का तरीका था। वास्तविक मांसपेशियां आपके मुंह को ऊपर खींचने के लिए संकुचित होती हैं। लेकिन यह कृत्रिम मांसपेशी इसके विपरीत काम करती है: जब यह बंद होती है, तो यह स्वाभाविक रूप से त्वचा को मुस्कान की स्थिति में खींच लेती है। जब आप वोल्टेज चालू करते हैं, तो यह फैल जाती है और त्वचा को वापस तटस्थ स्थिति में जाने देती है। यह पक्षाघात वाले रोगियों के लिए वास्तव में एक महाशक्ति (superpower) है। यदि इम्प्लांट हमेशा "ऑन" (मुस्कान बनाए रखने के लिए) रहता है, तो यह वहां रहने के लिए लगभग शून्य बिजली का उपयोग करता है क्योंकि यह केवल एक बैटरी की तरह चार्ज को थामे रखता है। इसे छोड़ने और आराम करने के लिए केवल ऊर्जा के एक छोटे से झोंके की आवश्यकता होती है। इसका मतलब है कि भविष्य का उपकरण बैटरी को खत्म किए बिना एक लकवाग्रस्त चेहरे को खुश और सममित दिखने में मदद कर सकता है।

शोधकर्ता सावधानीपूर्वक यह स्पष्ट करते हैं कि यह एक प्रारंभिक, "एक्यूट" (acute) अध्ययन है, जिसका अर्थ है कि यह उन जानवरों पर किया गया था जिन्हें सुला दिया गया था और परीक्षण के तुरंत बाद मानवीय रूप से समाप्त कर दिया गया था। उन्होंने इसे हफ्तों या महीनों तक नहीं छोड़ा ताकि यह देखा जा सके कि शरीर समय के साथ कैसे प्रतिक्रिया करता है, और न ही उन्होंने अभी तक मनुष्यों पर इसका परीक्षण किया है। उन्होंने यह भी नोट किया कि चूहे की त्वचा मानव चेहरे से भिन्न है, और घर्षण को कम करने के लिए उन्होंने जिस जेल का उपयोग किया, उसे शरीर के भीतर लंबे समय तक टिकने वाले किसी अन्य पदार्थ से बदलने की आवश्यकता हो सकती है। हालाँकि, यह अध्ययन साबित करता है कि मूल विचार काम करता है: आप एक नरम, खिंचाव वाली, उच्च-वोल्टेज वाली कृत्रिम मांसपेशी को प्रत्यारोपित कर सकते हैं, और यह एक जीवित तंत्रिका को सुनेगी और सुरक्षित रूप से ऊतकों को हिलाएगी। यह एक आधारभूत कदम है, जो यह दर्शाता है कि हमारे तंत्रिका तंत्र और कृत्रic कोमल मांसपेशियों के बीच का सेतु संभव है, जो भविष्य के उन उपकरणों के लिए मार्ग प्रशस्त करता है जो एक दिन उन लोगों के चेहरे पर मुस्कान ला सकते हैं जिन्होंने इसे खो दिया है।