A csont csodálatos anyag. A tudósok kihívást jelentenek a fizika számára, hogy utánozzák az állandóbb helyettesítésért.

Néhány évvel ezelőtt Amir Zador új különleges anyagot keresett. Szüksége volt valakire, aki vastagabb lesz, ha fekszik, de olyan szilárd is lesz, mint a csont, ír BBC, Periszkóp.

Nagyon nehéz kérés volt. Gondolj bele, mi történik, ha mindkét végből meghúzol egy rugalmas övet - ahogy terjed, a rugalmasság egyre vékonyabbá válik. Zandpoor, egy ortopéd professzor a Leiden University Medical Center Hollandiában, és a csapatának szüksége volt valamire, ami pont az ellenkezőjét tenné. Majdnem megkérdőjelezi a fizika törvényeit.

A probléma, amivel szembesültek, a csípő volt. A mobilcsere az egyik leggyakoribb ortopédiai eljárás világszerte. A probléma az, hogy a mesterséges medencékkel rendelkező emberek körülbelül kétmillió lépést tesznek évente, ami egy implantátumot tesz lehetővé, hogy fokozatosan elfogyasztsák. Egy vagy több évtized használat után az implantátumokat gyakran ki kell cserélni.

Zandpoor és kollégái azt remélték, hogy megoldják ezt a problémát azáltal, hogy két különböző anyagot helyeznek az implantátum alapjának mindkét oldalán ellentétes módon - az egyik sűrített állapotban vastagabbá válik, a másik pedig, ha fekszik, vastagabbá. Ez segítene megpuhítani a combcsontot, amikor a csomó nyomás alatt volt, és biztosítaná, hogy az implantátum szilárdan rögzítve maradjon a csonton.

Ez megerősítené a kapcsolatot a csont és a"implantátum között, Zador szerint. Minden kutatásuk azt sugallta, hogy működni fog. Kivéve, hogy volt egy másik akadály - néhány ismert anyagok, amelyek egyre vastagabbá válnak, amikor lefekszenek úgynevezett segédanyagok általában puha és rugalmas. Például sisakban és térdpajzsokban használják.

"Próbáltuk megtalálni ezt a szent grált a hitelesség és a magas merevség, hogy képes legyen a rakomány", Zadpoor azt mondja. "Ez lesz a félelmetes vadászat. "

Az automatikus tanulás lehetővé teszi az egyes csontimplantátumok hozzáigazítását a beteg anatómiájához.

A csapat mesterséges intelligenciához fordult segítségért. Egy hatásvizsgálati rendszer segítségével, amelyet arra képeztek ki, hogy megjósolja, hogyan viselkedhetnek különböző anyagok, képesek voltak arra, hogy a kívánt különleges tulajdonságokkal rendelkezzenek. A gép egy"mater"nevű dolog tervezésével tért vissza - olyan anyagok, amelyek a mikroszkopikus szerkezetük megváltoztatásával módosíthatók, hogy különös tulajdonságaik legyenek.

Munkájuk csak egy példa arra, hogy a tudósok egyre inkább a hatásvizsgálatokkal foglalkoznak, hogy segítsenek nekik olyan anyagok kifejlesztésében, amelyek korábban nem voltak észlelhetők. És különösen erősnek bizonyul azoknak, akik megpróbálják utánozni a biológiai szövetek tulajdonságait.

"Automatikus tanulással sokkal gyorsabb (a folyamat) lehet, és ez lehetővé teszi, hogy felfedezzen több ezer-millió más struktúrákat, hogy megtalálja, amire szüksége van", Zador azt mondja.

A metaanyagok úgy alakíthatók ki, hogy a belső struktúrájuktól függően sokféle ember legyen - úgy viselkedhetnek, mint egy szilárd test vagy folyadék, a rájuk alkalmazott hang bizonyos gyakoriságától függően, például. De a kívánt belső szerkezet megtalálása még mindig kihívást jelent, ha fizikai módszerekre vagy szimulációkra támaszkodunk.

Körülbelül egy évbe telhet, mire kifejlesztünk és kiképezünk egy IA modellt, hogy új anyagokat készítsünk - mondja Sid Kumar, az anyagtudomány munkatársa a TT Delftnél Hollandiában. De ha ez már a helyén van, percekbe, vagy akár másodpercekbe is telhet, amíg a rendszer kivitelezhető terveket készít.

Az egyik projektjükben Kumar és kollégái arra használták a Belső Ellenőrzést, hogy olyan metamatiált találjanak ki, amely képes puha csontimplantátumokat létrehozni, hogy helyreállítsa az idősekre jellemző összetett töréseket. Gyakran használnak titánból vagy acélból készült lemezeket, csavarokat és rudakat, de a csontok nem mindig gyógyulnak jól körülöttük. Ez azt jelentheti, hogy ezek az implantátumok nincsenek megfelelően integrálva, így gyengék.

A kutatók úgy gondolták, hogy egy lágyabb anyag, amely még mindig biztosítja a szerkezet lehet a legjobb utánozni a lágy szövet, hogy természetesen alakul a korai szakaszában a helyreállítás egy törés. Akartak egy metamater, amely tartalmaz egy webszerű mikroszerkezet, de ez is olyan tulajdonságokkal, mint a folyadék, mint a polimer vagy a hidrogel. Ez a puha anyag, amelyet úgy lehet megtervezni, hogy úgy nézzen ki, mint egy vékony kör alakú kötszer, amely lyukakat tartalmaz, egy keretbe kerül, hogy az élő sejtek megtelepedhessenek, és lehetővé tegyék a csontba való integrálódását.

A korai szakaszában a törés helyreállítás elengedhetetlen a siker", mondja Xiao- Hao Qin, egy asszisztens biomatervezési professzor ETH Zürich Svájcban és tagja a kutatócsoport.

A csonttörések helyreállítására használt fémimplantátumok rugalmasabbak, mint a csont, ami problémás lehet, mert külső erőket nyelnek el. Ezért a körülöttük lévő csontok nem tapasztalnak törzseket edzés közben, és elkezdhetnek meghalni.

Tehát Kumar és a kollégái is akartak egy metamaterialt, aminek ugyanolyan formája és tulajdonságai voltak, mint amilyen a hosszú csontok szélén található, például a karjainkon és lábainkon. Itt, a belső csont egy stílusos szerkezet hasonló, mint a méz kölcsön, ismert, mint a trabekuláris csont, amely erőt és a képességét, hogy elnyelje a sokkok.

Az előző munkában Kumar és kollégái egy új típusú metafokot vezettek be, a spinodoidokat, amelyek néhány fontos jellemzővel rendelkeznek a poréziscsonttal. Mindkét belső szerkezet hasonló egy háló, amely kissé szabálytalan alakú. A kezelésüktől függően különböző mértékű erőt és merevséget teremtenek.

Egy algoritmussal az automatikus tanulás modelljével egy listát azokról a tulajdonságokról, amiket kerestek, mint például a combcsont merevsége, Kumar és kollégái képesek voltak az emberi csonthoz közeli spinodoidokat készíteni. Képesek voltak utánozni az átkot, valamint a saját kátyúszerkezetét, például azt, hogy hogyan viselkedik, amikor egy erő vonatkozik rá.

Ez azért fontos, mert azt szeretné, hogy az implantátum egy régiója merevebb legyen, egy másik régió porózusabb legyen, egy másik régió pedig ösztönözze a szövet növekedését" - mondja Mohammad Mizali, a TTU Delft biomedikai mérnöki munkatársa, aki nem vett részt a munkában.

Kumar és csapata azt is meg tudta mutatni, hogy a dizájnt három dimenziós nyomtatási technikával is elő lehet állítani. A következő lépésük, hogy teszteket végeznek, hogy kitalálják, hogyan működne, ha beültetnék az emberi testbe.

Talán néhány év múlva képesek leszünk mimetikus csontimplantátumokat készíteni", mondja Kumar.

Zandpoor és kollégái továbbléptek, hogy egy lehetetlen metaatikát találjanak a csípőimplantátumokhoz. Hozzáadták tulajdonságaik listáját - olyan stabil, amíg a stressz alatt, és megfelelő alkalmazkodni a beteg változó medence.

Zadpoor és csapata azért kapott három különböző automatikus tanulási modellt, hogy egyesítsék erőiket, és közösen keressenek megvalósítható metaforát. Ez a megközelítés több metamatrikus kialakítást eredményezett, amelyek alkalmasak lennének egy merevedési implantátumon való használatra, amit Zador szerint mesterséges intelligencia nélkül lehetetlen lenne elérni a kötelesség bonyolultsága miatt.

A jövőben az automatikus tanulás lehetővé teszi, hogy az egyes csontimplantátumok a beteg anatómiájához igazodjanak, ami tovább tarthat, mondja Zador. Periszkóp/