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石墨烯生物電子黑科技能讓假肢感到痛

作者:管理員

利用格拉斯哥大學的研究團隊研究出的石墨烯電子皮膚就可以讓假肢産生觸覺。

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疼痛當然不會令人愉悅,但對截肢患者來說,讓假肢適當疼痛卻是他們長久以來的盼望。爲什麽需要痛?原來痛感就是一個信號,說,“嘿,小心!”,可以避免假肢損壞。要知道,一些假肢價格超過70,000美元。

那麽,哪些技術可以實現假肢痛感?

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“e-dermis”系統

最近在《科学机器人》上发表的一篇论文中,约翰霍普金斯大学(JHU)的Thakor教授与其研究生Luke Osborn描述了他们正在研发的“e-dermis”系統和初始测试结果。e-dermis可让假肢感知和传递疼痛感,也许在不久的将来,假肢可以跨越机器与人体的界线,为众多假肢患者带来更为人性化的感知。

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e-dermis系統模擬皮膚內稱爲傷害感受器的神經細胞處理疼痛的方式,並通過機械感受器將産生的信號傳遞給大腦進行加工。

Thakor教授稱,真正的皮膚由多層受體組成,那些傳感層以不同的方式對壓力作出反應:一些對刺激作出快速反應,另一些反應則稍慢。e-dermis是一種電子皮膚,也有許多層(由壓阻和導電織物制成,當然不是不同類型的細胞),以感知和測量壓力。

來自e-dermis的壓力信息被轉換成類似神經元的脈沖,然後通過微小的電刺激將類神經元信號傳遞給截肢者皮膚中的外周神經,以引起壓力感,即疼痛感。

JHU團隊在一位截肢患者身上做了一系列測驗。這名29歲男子在實驗中會感受到壓力,指尖的敲擊,甚至是引起疼痛感覺的物體。他可以分辨出非痛苦和痛苦的觸覺感知之間的區別,包括物體的曲率變化和尖銳的邊緣。這位參與者描述:“許多年後,我又感覺到了自己的手,就好像一個空殼再次充滿了生命。”。

電子皮膚傳感器

斯坦福大學鮑哲楠團隊研制了一種觸覺傳感器,把導電的碳材料混入。當材料受力時,導電橡膠膜中的電壓就會發生改變。課題組發現,用特定模式的微尺度錐體覆蓋觸覺傳感器能夠增加它們的觸覺敏感度--就像我們指紋上螺旋一樣。根據這種設計做出來的傳感器與我們手部的皮膚一樣敏感。

課題組還將晶體管、電引線和其他組件印在橡膠皮膚上,做成有彈性的電流回路,把觸覺傳感器上的數據傳遞到假肢手部。如下圖所示,在顯微鏡下,觸覺傳感器上細小的角錐體清晰可見。這些50μm寬的特色結構增進了敏感度,就像我們隆起的指紋上一樣。

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下圖中木制假手上的每個指尖都裝上了有彈性的觸覺傳感器,與它們連著的電線能將數據傳往手掌中靈活的電子控制中心。

電子皮膚材料

有人说石墨烯是一种万能材料,这个说法虽然有些夸张,但却也有一番道理。比如利用格拉斯哥大学(University of Glasgow)的研究团队研究出的石墨烯电子皮肤就可以让假肢产生触觉。这种新型的电子皮肤由单层石墨烯制成,与碳片组成具有延展性和韧性的结合材料,最后再与太阳能电池结合来实现导电和充电。

加入了這一層皮膚的假肢在開啓了皮膚功能之後可以控制抓取物體的力道,即便是易碎的雞蛋也可以穩穩地拿起和放下,但如果沒有這一層皮膚,就立刻失去了應有的按壓反饋,最終導致抓取物品力道難以控制甚至發生意外。

與此同時,斯坦福大學鮑哲楠團隊正在研發一些更奇妙的材料。其中的一種高分子材料模擬了人體皮膚兩個最重要的特征:伸縮和自愈,比人的皮膚更有彈性,能被拉伸到自身長度的100倍而不受損壞。這種材料被割傷時可以自動愈合,並不需要加熱或其它觸發物。它還能作爲一種較弱的人造肌肉,在施加電場時延展或收縮。

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讓假肢痛成爲現實有哪些障礙?

從基礎學科的角度,新材料的設計需要更好的電學功能和力學功能。

從工藝角度上,需要進一步實現更複雜、更大型的集成電路方式。

從應用角度,從實驗室到大規模生産再到商業化應用還有很長的路。

總結

疼痛当然不会令人愉悦,但对截肢患者来说,适当的疼痛却是他们长久以来的盼望。理想的假体允许使用者保持完全的控制,并在需要时选择"关闭疼痛反应"。JHU及其它假肢触觉项目的研究人员正在寻求更加逼真的電子皮膚材料、传感器,以及假肢触觉传输方式,希望有一天可以达到真实的皮肤体验。

                                                                                                                     (来源- 快咨詢)