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人工皮肤让假肢也有触觉

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总结:工程师研制出一种像皮肤一样的塑料材料,这种材料能检测出压力并直接向大脑细胞传递一种像摩尔斯电码的信号。这项成果使假肢的触感的实现更进了一步。




人类的手指在触碰机器人手指。在金色“指尖”上的半透明塑料和黑色装置是斯坦福大学的工程师研发的仿皮肤传感器。这种传感器能检测压力并将压力感觉传递给神经细胞。这项研究的目标是开发一种嵌满微型传感器的人工皮肤,赋予假肢一些人类皮肤的感觉能力。(图片来源:Bao Lab


斯坦福大学的工程师研制出了一种塑料“皮肤”,它能够检测出正在被施加的压力程度,并产生一种电信号来将这种感觉输入直接传递给大脑细胞。


斯坦福大学的化学工程教授Zhenan Bao花了十年开发一种材料,这种材料能够像人类皮肤那样弯曲和痊愈,还能作为传感网络给大脑传递触觉、温度和痛觉信号。Zhenan Bao教授最终是想要研制出一种嵌入了传感器的柔性电子织物,这些传感器能够覆盖在假肢表面,并具有一些真实皮肤的感觉功能。


Bao的研究成果今天发表在《科学》(Science)杂志上,这项成果使她向目标更进了一步。 她复制出了触觉的一个方面,这些传感器使我们能够分辨一次轻轻的握手和一次紧握的不同压力。


Bao解释道:“这是首次,一个像皮肤一样的柔性材料能够检测压力并转化成信号传递给神经系统的一部分。”她带领这个17人研究团队取得了这项成就。


Benjamin Tee是一个刚毕业的电气工程博士;Alex Chortos是一个材料科学与工程的博士;而Andre Berndt是生物工程的博士后,同时也是这个论文的主要作者。


数字化的触觉


这项技术是一个双层的塑料结构:顶层创建了一种感觉机制,底层作为导电回路传递电信号并把它们转化成能和神经细胞兼容的生化刺激。在这项新成果中,顶层作为重要的感应器,能够检测到和人类皮肤相同范围程度的压力,哪怕是手指的一次轻触,或是一次坚定有力的握手。


五年前,Bao研究团队的成员首次描述如何通过测量塑料和橡胶的分子结构的自然弹性作为压力传感器。之后,他们把这种薄塑料压成网格状,进一步压缩了塑料的分子弹簧,增加了这种自然的对压力的敏感度。


为了开发这种电子的感压性能,研究团队将数以亿计的碳纳米管分散在这种网格塑料中。在塑料上施加压力的话,纳米管就会挤压得更紧,并能够导电。


这就使这种塑料传感器能够模仿人类的皮肤,而人类的皮肤能够将压力信息以短的电脉冲形式(与摩尔斯电码相似)传递给大脑。增加施加在纳米管上的压力的话,它们就会挤压得更紧,也就能够允许更多电流流过传感器。并且,这些多种多样的脉冲会以短脉冲的形式传送给感觉机制。减轻压力的话,脉冲就会缓和,表明这是轻微的触碰。如果移除了全部的压力,脉冲就完全消失了。


之后,研究团队将这种压力感应机制结合到他们的人造皮肤的第二层。人造皮肤的第二层是一种柔性电子电路,能够将电脉冲传送到神经细胞。


导入信号


Bao的研究团队一直在研究弯曲时不会折断的柔性电子产品。针对这个项目,团队成员与帕洛阿尔托研究中心(Palo Alto Research CenterPARC)的研究人员进行合作。PARC拥有一项能够利用喷墨打印机将柔性电路印在塑料上的技术。为了使人造皮肤具有实用性,覆盖一层巨大的表面很重要,而与PARC的合作为此提供了可能性。


最终,研究团队还需要证明电信号能够被生物神经元识别,他们采用了一种Karl Deisserotn开发的技术。Karl Deisserotn是斯坦福大学的生物工程教授,他开辟了一个结合了遗传学和光学的领域,称作光遗传学。研究人员用生物工程技术处理细胞,使它们对特定的光频率敏感。然后,他们利用光脉冲开启或关闭细胞或细胞内部的进程。


对于这项研究,研究人员设计了一条神经元来模仿人类神经系统的一部分。他们将人工皮肤处的电压力信号转化成光脉冲来激活神经元,人工皮肤能够产生一种与神经细胞匹配的感觉输出。


Bao说,光遗传学只用作概念的实验证据,其它刺激神经的方式可能会用在实际的假肢装置中。Bao的团队已经与斯坦福大学的化学副教授Bianxiao Cui合作,来证明用电脉冲可以直接刺激神经元。


Bao的团队预想研发不同的传感器来复制一些能力,比如分辨灯芯绒和丝绸,或一杯凉水和一杯热咖啡。这需要很多时间。在人类手上有六种生物传感机制,而在《科学》杂志上描述的这个实验仅成功实现了其中之一。


但是,现在这种两层的结构意味着,当新机制研发出来后研究团队还能再添加感觉。而且这种喷墨打印的制造工艺也暗示了传感器网络是如何沉积在一个柔性层上,以及怎样在假肢上折起来的。


“要实现这项成果的实际应用还有很多工作要做。不过,在这项研究上花费多年时间后,我已经知道对于人工皮肤的研究今后要往哪里走了。”Bao说道。


原文链接:http://www.sciencedaily.com/releases/2015/10/151015144707.htm


翻译:吴苏栗  审校:檀泽浩


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