Luu on hieno materiaali. Tiedemiehet haastavat fysiikan jäljittelemään sitä enemmän pysyviä korvaajia.

Muutama vuosi sitten Amir Zador etsi uutta erikoismateriaalia. Hän tarvitsi jonkun, joka tulisi paksummaksi, kun hän makasi, mutta hän olisi myös yhtä vankka kuin luut, kirjoittaa BBC, lähetys Periskooppi.

Se oli hyvin vaikea pyyntö. Ajattele, mitä tapahtuu, kun kummastakin päästä vetää joustavan vyön - kun se laajenee, joustavuus muuttuu yhä ohuemmaksi. Zandpoor, ortopedinen professori Leiden University Medical Centerissä Alankomaissa, ja hänen tiiminsä tarvitsi jotain, joka tekisi juuri päinvastoin. Hänen pitäisi melkein kyseenalaistaa fysiikan lait.

Heidän ongelmansa olivat lanteet. Mobiilikorvaus on yksi yleisimmistä ortopedisistä menettelyistä maailmanlaajuisesti. Ongelmana on, että ihmiset, joilla on keinotekoisia valuma-alueita, ottavat noin kaksi miljoonaa askelta vuodessa, joka altistaa implantaatin voimille, jotka vähitellen kuluttavat sitä. Vähintään vuosikymmenen käytön jälkeen implantit on usein vaihdettava.

Zandpoor ja hänen kollegansa toivoivat ratkaista tämän ongelman asettamalla kaksi erilaista materiaalia, jotka tuodaan vastakkaisella tavalla, kun ne ovat kummallakin puolella pohjan implantaatin - joka tulee paksumpi, kun pakattu ja toinen, joka on paksumpi, kun makuulle. Tämä auttaisi pehmentämään reisiluuta, kun solmu oli paineen alla, ja varmistaisi, että implantti pysyy tiukasti kiinni luussa.

Tämä vahvistaisi luun ja"implantaatin välistä yhteyttä, Zador sanoo. Tutkimusten mukaan se toimisi. Paitsi oli toinen este - jotkut tunnetut materiaalit, jotka tulevat paksumpia, kun ne makuulla kutsutaan auxetic materiaalit ovat yleensä pehmeä ja joustava. Niitä käytetään esimerkiksi kypärissä ja polvisuojissa.

Yritimme löytää tätä aitouden pyhää maljaa ja myös korkeaa jäykkyyttä kuormien kantamiseen", Zadpoor sanoo. "Tästä tulee pelottava metsästys. "

Automaattinen oppiminen voi myös mahdollistaa yksittäisten luuimplanttien mukauttamisen potilaan anatomiaan.

Ryhmä kääntyi tekoälyn puoleen apua varten. Käyttämällä vaikutustenarviointijärjestelmää, joka on koulutettu ennustamaan, miten erilaisia materiaaleja voidaan käyttää, ne pystyivät sisällyttämään tiettyjä ominaisuuksia he halusivat. Kone palasi suunnittelu jotain"mater" - materiaaleja, jotka voidaan muuntaa outoja ominaisuuksia muuttamalla niiden mikroskooppinen rakenne.

Heidän työnsä on vain yksi esimerkki siitä, miten tutkijat yhä enemmän käsittelevät vaikutustenarviointia auttaakseen heitä kehittämään materiaaleja, joita ei olisi aiemmin voitu havaita. Se on erityisen voimakas niille, jotka yrittävät jäljitellä biologisen kudoksen ominaisuuksia.

"Automaattisen oppimisen avulla voit tehdä (prosessi) paljon nopeammin ja sen avulla voit tutustua tuhansiin muihin rakenteisiin löytääksesi tarvitsemasi", Zador sanoo.

Metamateriaalit voidaan suunnitella niin, että niillä on erilaisia ihmisiä, riippuen niiden sisäisestä rakenteesta - ne voivat käyttäytyä kuin kiinteä runko tai neste riippuen siitä, kuinka usein niitä käytetään. Halutun sisäisen rakenteen löytäminen on kuitenkin haaste, kun luotamme fyysisiin menetelmiin tai simulaatioihin.

Saattaa kestää noin vuoden kehittää ja kouluttaa IA-mallia uusien materiaalimallien tuottamiseksi, sanoo Sid Kumar, joka on TT Delftissä Alankomaissa työskentelevä materiaalitieteen apulaisprofessori. Mutta kun tämä on tehty, voi kestää minuutteja tai jopa sekunteja, että järjestelmä tuottaa toteuttamiskelpoisia malleja.

Yhdessä projektissaan Kumar ja hänen kollegansa käyttivät vaikutustenarviointia keksiäkseen metamatiaalin, jota voidaan käyttää pehmeiden luuimplanttien luomiseen kompleksisten murtumien korjaamiseksi, jotka ovat tavallisia vanhuksille. Titaanista tai teräksestä valmistettuja levyjä, ruuveja ja sauvoja käytetään usein, mutta luut eivät aina parane hyvin niiden ympärillä. Tämä voi tarkoittaa sitä, että nämä implantit eivät ole kunnolla integroituja, jolloin ne ovat heikkoja.

Tutkijat ajattelivat, että pehmeämpi materiaali, joka vielä tarjoaa rakenteen voisi parhaiten jäljitellä pehmytkudosta, joka luonnollisesti muodostuu varhaisessa toipumisen vaiheessa murtuma. He halusivat metamaterin, joka sisältää web-tyyppinen mikrorakenne, mutta sillä on myös ominaisuuksia, jotka muistuttavat nesteen polymeeri tai hydrogeeli. Tämä pehmeä materiaali, joka voidaan suunnitella näyttämään ohuelta pyöreältä siteeltä, joka sisältää reikiä, sijoitetaan kehikkoon niin, että elävät solut voivat asuttaa sen ja antaa sen integroitua luuhun.

Murtuman varhaisvaihe on ratkaiseva onnistumisen kannalta", sanoo Xiao-Hao Qin, biomateriaalitekniikan apulaisprofessori ETH Zürichissä Sveitsissä ja tutkimusryhmän jäsen.

Murtumien korjaamiseen käytettävät metalli-implantit ovat myös joustavampia kuin luu, mikä voi olla ongelmallista, koska ne absorboivat ulkopuolisia voimia. Näin ollen niiden ympärillä olevat luut eivät koe rasituksen aikana ja voivat alkaa kuolla.

Kumar ja hänen kollegansa halusivat myös metamateriaalin, jolla oli samat muodot ja ominaisuudet kuin pitkien luiden reunoilla, kuten käsivarsillamme ja jaloissamme. Täällä sisäluu on tyylikäs rakenne samanlainen kuin hunaja laina, joka tunnetaan trabekulaarinen luu, joka antaa voimaa ja kykyä imeä iskuja.

Edellisessä työssä Kumar ja hänen kollegansa olivat ottaneet käyttöön uuden luokan metamatiaaleja, spinodoideja, jotka jakavat joitakin tärkeitä ominaisuuksia huokosen luun kanssa. Molemmilla on sisäiset rakenteet, jotka muistuttavat hieman epäsäännöllistä verkkoa. Riippuen siitä, miten näitä hallitaan, ne luovat erilaisia voimatasoja ja jäykkyyttä.

Antamalla algoritmi mallin automaattinen oppiminen luettelo ominaisuuksista he etsivät, kuten erityinen jäykkyys reisiluun, Kumar ja hänen kollegansa pystyivät luomaan spinodoide malleja, jotka vastaavat läheisesti ihmisen luuta. He pystyivät jäljittelemään sen kuoppaa sekä sen omaa kuopparakennetta esimerkiksi ja miten se käyttäytyy, kun voima koskee sitä.

Tämä on tärkeää, koska saatatte haluta, että implantaatin alue on jäykempi, toinen alue huokoisempi ja toinen alue edistää kudoksen kasvua", sanoo Mohammad Mizali, biolääketieteellisen tekniikan apulaisprofessori TTU Delftissä, joka ei ollut mukana työssä.

Kumar ja hänen tiiminsä pystyivät myös osoittamaan, että muotoilu voitaisiin tuottaa kolmiulotteisilla painotekniikoilla. Seuraava askel on testata, miten se toimisi, jos se istutettaisiin ihmiskehoon.

Ehkä muutaman vuoden kuluttua pystymme tekemään mimeettejä luuimplantteja", sanoo Kumar.

Zandpoor ja hänen kollegansa ovat edenneet etsiessään mahdotonta metamatiaa lonkkaimplanteille. Ne ovat lisänneet luetteloonsa ominaisuuksia - vakaita niin kauan kuin stressiä ja riittävästi sopeutua potilaan muuttuva altaan.

Täyttääkseen pitkän toivelistansa Zadpoor ja hänen tiiminsä saivat kolme erilaista automaattisen oppimisen mallia yhdistääkseen voimansa ja etsiäkseen yhdessä toteutettavissa olevaa metamatiaa. Tämä lähestymistapa johti useita metamatrisia malleja, jotka soveltuisivat käytettäväksi stonder implantaatti, joka Zadorin mukaan olisi mahdotonta saavuttaa ilman tekoälyä, koska velvollisuus on monimutkainen.

Tulevaisuudessa automaattioppiminen voi myös mahdollistaa yksittäisten luuimplanttien mukauttamisen potilaan anatomiaan, jonka pitäisi tehdä hänestä pidempi, Zador sanoo. / Periskooppi/