Восстановление чувства осязания: достижения в области технологий искусственной кожи

Бог и Адам, Бог и Адам, прикоснитесь к связи

Ниже приводится первая часть серии об интеграции мозга и машины и биомеханических решениях для восстановления функций тканей, поврежденных болезнью, травмой или временем.

За последние несколько лет исследователи разработали тактильную технологию, позволяющую воссоздать ощущение прикосновения, прикладывая к пользователю силу. Тактильные ощущения были реализованы в виртуальной реальности, телеробототехнике, компьютерном моделировании и т. д.

Последние достижения в технологии искусственной кожи могут вывести тактильные технологии на новый уровень, позволяя людям с протезами конечностей снова ощущать прикосновения. Кожа – самый большой орган в организме. Он защищает наши наиболее уязвимые органы от патогенов, мусора, радиации и другого вреда. Однако другая его роль гораздо сложнее.

Ощущение прикосновения возникает благодаря сети нейтронов, встроенных в кожу, которые передают сигналы от самых отдаленных точек нашего тела к нашей центральной нервной системе. Когда вы прикасаетесь к телефону, планшету или компьютеру перед собой, ощущение прикосновения представляет собой серию электрических сигналов, посылаемых в мозг. Когда эта связь разрывается, например, при травме позвоночника или потере конечности, чувствительность прикосновения теряется.

Однако эта потеря больше не может быть постоянной. Исследователи Ван и др. недавно представила передовую технологию электронной кожи, которая обеспечивает детальную сенсорную обратную связь и мягкое взаимодействие с окружающей средой. Электронная кожа мягкая, имитирует физические характеристики человеческой кожи и может быть закодирована для восприятия прикосновений, изменений температуры и давления, и все это передается обратно в мозг искусственными нейронными сетями. По сути, они создали искусственную кожу, которая могла бы вернуть пятое чувство тем, кто его потерял.

По большей части электронные системы остаются жесткими и жесткими. В последние годы появились более гибкие электронные материалы, такие как изготовление мягких устройств, которые позволяют создавать что-то вроде электронной кожи. Проблема, которая осталась для Wang et al. Дело в том, что даже самые лучшие гибкие электронные материалы по-прежнему выдерживают высокое напряжение (от 30 до 100 В). Носимое устройство с таким высоким напряжением представляет значительный риск для пользователя.

Чтобы решить проблему высокого напряжения, исследователи разработали трехслойный изолятор, который можно добавить к электронной коже. Изолятор гладкий и тонкий, что делает электронную кожу удобной для ношения и гибкой.

Самая значительная трудность с электронной кожей заключается в обнаружении контакта с внешним объектом, а, скорее, в интерпретации мозгом ощущений и реакции на него. Когда вы прикасаетесь к чему-то обжигающему, ваш мозг немедленно обнаруживает опасность, и вы мгновенно неосознанно отступаете. Это сенсорная обратная связь. Нейронная сеть, соединяющая вашу кожу с мозгом, обеспечивает быструю реакцию на прикосновение, быстрее, чем мы можем сознательно подумать. При использовании искусственной кожи необходимо реконструировать механизм сенсорной обратной связи.

Когда вы к чему-то прикасаетесь, аналоговые сигналы кодируются в электрические и передаются в мозг через нервы. Для электронной кожи исследователи построили сеть твердотельных синаптических транзисторов для передачи электрических сигналов.

Ван и др. разработали систему замкнутого цикла, соединяющую электронную кожу с соматосенсорной корой головного мозга на модели живой крысы. Соматосенсорная кора расположена в непосредственной близости от моторной коры, что способствует скорости, с которой наши двигательные реакции могут быть такими быстрыми. Эксперименты in vivo показали, что давление на электронную кожу приводит к значительной активации соматосенсорной коры и, в свою очередь, к значительной активации мышц у крыс.

После значительного раунда испытаний на животных и людях на предмет безопасности и эффективности технология электронной кожи Ванга и др. может быть использована в различных приложениях. Прежде всего, в регенеративном плане он может восстановить сенсорную чувствительность почти двум миллионам людей с ампутированными конечностями только в Соединенных Штатах, а также всем людям с заболеваниями или ранее существовавшими состояниями, влияющими на тактильную чувствительность.

Кроме того, электронная кожа может использоваться в промышленности, будь то применение ее к машинам, управляемым человеком, чтобы лучше оснастить оператора, или даже к роботам для получения данных, чтобы лучше выполнять свою работу.