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传感人造皮肤能让假肢真正有了“感觉”
发布:kittyll   时间:2016/1/29 17:50:25   阅读:1185 
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一种放置于假肢上的新型传感器能让使用者感受到压力和触觉。图片来源:斯坦福大学
 
假肢材料技术的成熟度及其发展是有目共睹的。尽管如此,研究人员仍在不断深入考虑使用者在感官上的需求:即如何使假肢感受到触摸对象并做出反应。现在,美国斯坦福大学的一组研究人员正在接近实现这一目标,他们使用一种非常薄的塑料膜制成人工皮肤,这种“皮肤”通过新开发的传感器能够检测到压力,然后会传递一个电信号至神经元。
 
“我们希望以某种方式传递信息或对大脑形成刺激,而这些信息是大脑可以理解的”,斯坦福大学化学工程专业教授Zhenan Bao带领的团队成员之一,材料科学与工程专业的Alex Chortos如是说。
 
“这种灵活的类皮肤材料能够检测压力,并发送信号至神经系统的一个组成部分中,这是史无前例的,”Zhenan Bao在一项声明中说道。
 
这项研究包括三个组成部分:传感器、传送电子信号的柔性电路以及神经信号的识别。研究小组从2008年开始就一直致力于传感器的研究,直到最近才实现建立传感器与大脑的联系。
 

传感器和电路被置于使用喷墨工艺处理的双层塑料“皮肤”之中。图片来源:斯坦福大学
 
该传感器由两个薄橡胶塑料层构成。顶层创建了一种感觉机制,这种机制是基于Bao团队早期关于如何使用塑料和橡胶分子结构中“弹簧”的研究。通过网状模式制造的塑料增强了灵敏度,其进一步压缩了塑料分子“弹簧”。随后,研究小组在整个塑料中加入了数十亿的碳纳米纤维。这进一步增加了压力灵敏度,因为纳米纤维在接触时被更紧密地结合在一起,使其能够导电。
 
“这其中发生的反应是非常复杂的,”Chartos说道。人的皮肤是以短电脉冲发送压力信息的,这类似于摩斯电码。通过对网状式的塑料“皮肤”增加压力,纳米管就被挤压得更为紧密。电脉冲在传感器上显示的起伏就是压力变化。
 
将电脉冲移至神经细胞是下一个目标。为了实现这个目标,研究小组与帕洛阿尔托研究中心(施乐公司)进行合作,利用喷墨技术将柔性电路喷涂在塑料上。为了使这种人造皮肤更为灵敏实用,必须将大量的传感器沉积在其表面上。
 
但是电子信号仍然必须由大脑通过生物神经元进行识别以完成整个流程。研究人员与斯坦福大学生物工程学教授Karl Deisseroth的实验室合作,以利用Deisseroth在光遗传学的研究成果,这项研究结合了光学和遗传学,通过生物工程对细胞进行加工改造,使它们对光频率更敏感。随后,光脉冲才可以成为细胞生理过程的开关。
 
研究小组设计的神经元代表人类的神经系统,其能够将人造皮肤的电子脉冲信号翻译转换成光脉冲信号。这些脉冲会激活神经元,模仿人体皮肤的工作机制。这项研究的详细内容刊登在《Science》期刊上。
 
Chartos提醒道:“要实现这种人造皮肤的与真正皮肤的功能全部一样,今后还有很长的路要走,人的手存在许多感应机制,包括温度和质感。目前,我们只是以某种方式实现了单一的压力感知。但是,为了能够完全模仿皮肤,我们必须要研究出多种不同的传感器。”
 
该研究小组认为,在喷墨制造技术的支持下,他们可以在传感器网络上喷上一层覆盖假手的塑料层,从而继续添加其他的感应器。但是,真实皮肤的感觉器官密度是非常高的,而研究人员目前只能安置10-20个传感器。
 
 “我们并没有真正开始对其进行研究。但我们已经有了一个独立的设计来测试传感器处理神经信号的能力。” Chartos说道,但是研究中还存在其他的绊脚石,“例如,就生物角度来说,你必然要接触周围大量的神经。”
 
刺激神经的其他方法也可以在将来的假肢技术中使用。该研究小组曾与斯坦福大学的其他教授一起对使用电脉冲直接刺激神经元进行了研究。去年,俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的一个研究小组开发了一个系统,在患者的前臂中植入电极以发送信号至假肢,让患者的假肢能够感受到手指在做什么。
 
此外,DARPA的一项称为手本体感觉和触摸界面的新方案,正与多家私营公司和包括凯斯西储大学在内的多家大学共同合作展开,以开发出一种能够将信号发送回大脑的技术。除了在神经和肌肉中植入电极以发送信号至假肢器官外,该器官本身将嵌入传感器以发送信号至大脑。DARPA的目标是未来四年时间里,将实现一个FDA批准的系统。
 
译自:asme.org
来源:材料与测试
译者:兔子小光

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