传感器可能很快就会给假肢带来逼真的触感

假肢可以起到恢复某些截肢者失去功能的奇迹,但他们做不到的一件事就是恢复准确的触觉。 现在,研究人员报告说,在不久的将来的某一天,那些人工手臂和腿可能会有一种非常类似真实感的触觉。 科学家们使用两层柔软的薄塑料制造出新型电子传感器,可以向小鼠的脑组织发送信号,这些信号非常类似于人体皮肤中触摸传感器的神经信息。

多个研究团队长期以来一直致力于为患有肢体的人恢复触觉。 例如,2年前,位于俄亥俄州克利夫兰的凯斯西储大学的一个小组报告说,通过将手上的压力传感器连接到手臂周围的神经,给假肢手的人一种触觉。

然而,虽然这些进步已经恢复了基本的触觉,但传感器和信号与机械感受器,皮肤中的自然触摸传感器发送的传感器和信号非常不同。 对于初学者来说,自然机械感受器会产生数字信号。 当他们感受到压力时,他们会发出一股神经冲动; 压力越大,脉冲频率越高。 但是之前的触觉传感器一直是模拟设备,其中更多的压力产生更强的电信号,而不是更频繁的脉冲流。 然后必须将电信号发送到另一个处理芯片,该处理芯片将信号的强度转换为数字脉冲流,然后仅发送到周围神经或脑组织。

受天然机械感受器的启发,由加利福尼亚州帕洛阿尔托斯坦福大学的化学工程师Zhenan Bao领导的研究人员开始制造直接生成数字信号的传感器。 宝的团队最初是通过改进他们5年前首次制造的传感器而开始的。 在该早期工作中,该小组设计了包含导电碳纳米管的微小橡胶柱,并将它们并排放置在一对电极上。 当不施加压力时,作为绝缘体的橡胶防止电流在两个电极之间流动。 但是当触摸时,压力使柱子翘起,将导电纳米管推到一起以形成连续的电路径并允许电流流动。 当压力消除后,橡胶柱会弹回原来的形状。

对于他们目前的工作,鲍和她的同事们将他们的支柱变成倒金字塔并调整了它们的大小,使他们对一系列压力敏感,从轻触到坚定的握手。 他们还改变了电极设置并添加了另一层柔性电子设备,称为环形振荡器,将触摸敏感金字塔中出现的电信号转换为数字电脉冲流。 结果是 - 就像来自自然机械感受器的信号 - 当施加更多压力时,振荡器以更高的频率发出脉冲。

但鲍的小组并没有止步于此。 斯坦福大学的团队也想看看脑组织是否能够接收到这些信号。 这通常是通过将金属电极插入所谓的动物躯体感觉皮层并观察它们的反应来完成的。 但是金属电极会迅速损坏自然脑组织,因此无法长时间研究信号的传递。 因此,对于他们目前的研究,Bao的团队决定将来自触摸传感器的电子脉冲发送到发光二极管,发光二极管将它们转换成蓝光脉冲流。 随后,宝的团队与由卡尔·戴斯罗斯(Karl Deisseroth)领导的斯坦福大学同事合作,对小鼠的体感皮层组织进行基因工程,以吸收蓝光和火焰。 他们牺牲了一些工程小鼠并分离出一片光感躯体感觉皮层,这种感觉皮层可以存活几个小时。 最后,他们测试了他们的触摸传感器,并监测小鼠脑组织是否接收到信号并作为响应发射。 在今天的科学中,他们报告说 。 鲍说,这使人们希望这种传感器可能最终有助于恢复截肢者的自然触觉。

伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的化学家和柔性电子学专家约翰罗杰斯说:“很高兴看到研究朝这个方向发展,这篇论文令人印象深刻。” 然而,Rogers和Bao都指出,给予截肢者一种自然的触觉仍然有很长的路要走。 例如,医生将无法设计人脑组织来接收光信号。 这意味着研究人员需要找到其他方法,以长期稳定和安全的方式将假信号传递到大脑。 鲍说她希望使用柔性有机电子设备来完成这项任务。 最终,随着这些不同的研究线程被编织在一起,它可能会让人们对假肢有一种全新的感觉。

(视频信用: )