Uppsalaforskare i mångmiljonprojekt kring trådlösa kroppsnätverk

1 mars 2021

Män i labb med konstgjord arm

Doktorand Johan Engstrand, forskningsledare Robin Augustine och forskningsassistent Arvind Selvan Chezhian Velu testar den tekniska kretsfunktionen som ska kunna styra proteser.

Idén att vi människor på tankemässig väg ska kunna styra delar av våra kroppar är inte längre en utopi. De första stegen tas nu i ett EU-projekt där forskare ska möjliggöra för hjärnan att kommunicera med proteser via trådlösa nätverk inuti kroppen. Koordinator för EU-projektet B-CRATOS är Robin Augustine vid institutionen för elektroteknik vid Uppsala universitet.

När nervsystemet fungerar som det ska är det inget vi reflekterar över. Men den dagen vi får en skada, drabbas av sjukdom eller mister en kroppsdel blir betydelsen av våra automatiska signalfunktioner uppenbar. I det fyraåriga EU-projektet B-CRATOS ska forskare utveckla kroppsnära nätverk i syfte att sammanbinda signalsystem och stimulera funktionerna i främst proteser, men i förlängningen även muskler och inre organ. Detta ska åstadkommas med hjälp av chipimplantat i de delar av kroppen som ska kommunicera.

Robin Augustine, universitetslektor och do-
cent i elektronik med inriktning mot medicin-
teknik. Foto: MMG

För att få till ett fungerande implantat krävs banbrytande tekniska metoder och expertis, något som återfinns inom Robin Augustines grupp för mikrovågor inom medicinteknik. Forskargruppen har arbetat i fem år med den tekniska kretsfunktion som ska användas för projektets kommunikationsplattform. Chipimplantatets elektroniska komponenter ska fogas samman och testas i bland annat renrummet inom forskningsinfrastrukturen MyFab Uppsala på Ångströmlaboratoriet.

– Tidigare har vi arbetat med inopererade medicintekniska enheter som anslutits till internet. Men tanken med dessa system är att de ska kommunicera utan involvering av en yttre dator, säger Robin Augustine.

En av de största utmaningarna med chipimplantat är mikrovågssignalernas frekvensområde och hur risken för kroppsskador kan elimineras. Människan använder hundratusentals kanaler för att kunna registrera nervsignaler, vilket gör det till en dataintensiv process. Samtidigt behövs en tvåvägskommunikation för att kunna sända och ge hjärnan återkoppling på signaler, enligt Robin Augustine.

Robin Augustines doktorand Johan Engstrand utför tester med hjälp av en 3D-utskrift av en bionisk arm.
Foto: MMG

Banbrytande teknik

Där har Uppsalaforskarna utvecklat en teknik som går ut på att stänga in mikrovågssignalerna i det tunna utrymmet mellan huden och muskellagret. Detta naturliga fettlager kapslar in signalerna samtidigt som det tillåter dem att fortplanta sig. Därmed kan enheten sända på så hög frekvens som 5,8 gigahertz och på meterlånga avstånd.

Frågan är varför inopererade enheter behövs när det finns extern teknik för att styra exempelvis proteser. Skillnaden förklarar Robin Augustine är att en sådan används mer som ett verktyg, medan forskarnas ambition är att integrera den konstgjorda armen med mänsklig tankeverksamhet.  

 – Protesen kan exempelvis fungera som en sked som du är medveten om att du använder. Men du känner aldrig att den är en del av din kropp, för den är inte kognitivt integrerad i hjärnans processystem. Vi vill istället skapa en förbindelse direkt från din konstgjorda arm, ben eller någon annan kroppsdel till din hjärna så att den förnimmer närvaro och upplever kontroll av denna kroppsdel. Och för det behövs ett implantat i hjärnan.

En annan fördel är säkerheten som följer av att sammankoppla hjärnan med en annan enhet inom kroppen.

– När all kommunikation sker under huden, kan ingen tjuvlyssna. Du bibehåller integriteten och säkrar kommunikationen, säger Robin Augustine.

Målet för EU-projektet B-CRATOS är att möjliggöra simultan tvåvägskommunikation mellan den mänskliga hjärnan och en artificiell kroppsdel, exempelvis en arm. Illustration: B-CRATOS

Bredd av partners i Europa

Projektet B-CRATOS har en budget på drygt 46 miljoner och samlar sju partners från lärosäten, företag och institut runtom i Europa. Bland deltagarna finns en italiensk forskargrupp i Pisa som specialiserat sig på robotarmar som kan kontrolleras med hjärnsignaler. Dessa ska fångas upp av elektroniska chip, vilka tillverkas av ett företag inom projektet.

En annan samarbetspartner ska använda artificiell intelligens och högpresterande databeräkningsfaciliteter för att kartlägga tankemönster i kombination med motorisk kontroll. Ytterligare en samarbetspartner gör moduler som trådlöst kan transportera data och energi till de inplanterade enheterna i hjärnan.

Zhibin Zhang, forskare vid instituti-
one för elektroteknik. Foto: MMG

Av budgeten avsätts 11 miljoner till Uppsala universitets forskning inom projektet. Robin Augustine är stolt över att ha ytterligare en partner inom universitetet, också från avdelningen för fasta tillståndets elektronik.

– Det är gruppen för flexibel elektronik för smart liv och energiproduktion under ledning av docent Zhibin Zhang, och de har lång erfarenhet av bland annat flexibla elektroniska komponenter, termoelektriska generatorer och sensorer.

Utvecklar känselsinne

En annan av den gruppens specialiteter är så kallade neuromorfa taktila system. De består av datorkretsar som efterliknar konstruktionen hos den mänskliga hjärnan och nervsystemet. Inom B-CRATOS är Zhangs forskargrupp därför ansvariga för taktil avkänningsteknik och ska utveckla elektroniska hudsensormatriser som kommunicerar med hjärnbarken via människokroppens fettkanaler, berättar Robin Augustine.

Om allt går som förväntat tror han att trådlösa kroppsnätverk kan bli användbara för mänskligheten om tio år. Dock återstår en rad etiska frågeställningar att ta ställning till och i projektet ingår ett arbetspaket om etik. En oberoende och rådgivande expertpanel från vetenskapsområden som artificiell intelligens, filosofi, sakernas internet och neurovetenskap ska bistå med synpunkter och förbättringsförslag. 

– Det är naturligtvis många aspekter som man måste tänka på, och det måste komma fler etiska direktiv som ska övervägas och utvecklas. Men den här teknologin kommer att komma, och inte i en avlägsen framtid utan snarare i en nära framtid.

FAKTA B-CRATOS

Det fyraåriga EU-projektet B-CRATOS (Wireless Brain-Connect inteRfAce TO machineS) är ett så kallat FET Open-projekt. EU-utlysningarna inom FET Open (Future and Emerging Technologies) syftar till att fånga upp nya visionära idéer och öppna för tekniska möjligheter som bygger på avancerad vetenskap samt tvärvetenskapliga samarbeten. I mycket hög konkurrens fick projektet B-CRATOS totalt 4.95 av maximalt 5.00 poäng, och rankades 10:a av 58 beviljade bidrag och totalt 877 sökande.
Övriga partners inom projektet är Institut Sinano Association, Sant’Anna School of Advanced Studies, Blackrock Microsystems Europe GmbH, Fondazione Links, Deutsches Primatenzentrum GmbH och NTNU.
Projektet startar 1 mars 2021 och har en budget på ca SEK 46 miljoner.