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能感受“细腻的触感”和“疼痛”,E-dermis电子皮肤将让机器人更像人

导语:约翰-霍普金斯大学的研究人员最近研发了一种新型电子皮肤E-dermis,让我们离目标又更进了一步。当把E-dermis用在义肢上时,指尖能给患者带回真正的触感。

人类的皮肤是一个非常复杂的系统,给人带来各种触觉和感觉。尽管现在的义肢也有部分感觉,但离人类皮肤还有很大的距离。

约翰-霍普金斯大学的研究人员最近研发了一种新型电子皮肤E-dermis,让我们离目标又更进了一步。当把E-dermis用在义肢上时,指尖能给患者带回真正的触感。

有个匿名的志愿者在参加完测试后表示,“在多年之后,我再次感觉到了我的手,就像一个空壳了再次注入了生命。”

由织物和带有传感器的橡胶来模拟神经末梢,E-dermis通过感知刺激并将脉冲传递回周围神经来重建触觉和疼痛。

生物医学工程研究生Luke Osborn说,“我们已经制造了一个传感器,它在义肢的指尖上,就像你自己的皮肤一样。”它受人类生物学中的启发,有触觉和疼痛的感受器。

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生物医学工程研究生Luke Osborn以及配备了E-dermis的义肢

Osborn表示,“这是一种创新,也非常有趣,因为我们现在可以买市场上正在销售的义肢,然后在配上这种电子皮肤,就可以让佩戴者感受到他/她捡起的东西是圆的还是有尖角的。”

在6月20日出版的《科学机器人学》杂志上发表的研究成果表明,有可能为使用义肢的截肢者恢复一系列自然的、基于触觉的感觉。感受疼痛的能力对人来说非常有用,例如,不仅在假肢手中,包括在下肢假肢中,可以警告用户有损坏设备的潜在可能。

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E-dermis 技术原理

人类皮肤包含一个复杂的传感器网络,将各种感觉传递给大脑。该网络为研究团队提供了生物模板,该团队包括来自约翰-霍普金斯大学生物医学工程、电气和计算机工程、神经病学的成员以及来自新加坡神经技术研究所的成员。

Osborn表示,给现代假肢设计带来更多的人性化是至关重要的,尤其是当它融入了感觉疼痛的能力时。

他说,“疼痛当然是令人不快的,但它也是一种重要的、保护性的触觉,在截肢者目前可用的假肢中缺乏。假肢设计和控制机制的进步可以帮助截肢者恢复丧失功能的能力,但他们往往缺乏有意义的、触觉的反馈或感知。”

这就是E-dermis存在的意义,通过刺激手臂中的周围神经向截肢者传达信息,使所谓的幻肢变得栩栩如生。E-dermis装置是通过非侵入性方式借由皮肤电刺激截肢者的神经,该论文的资深作者、生物医学工程教授Nitish Thakor这样解释,他也是约翰-霍普金斯大学生物医学仪器和神经工程实验室主任。

“第一次,假肢可以提供一系列的感知,从细腻的触感到截肢者的刺激,使它更像是一只人类的手,” Infinite Biomedical Technologies联合创始人Thakor说,该公司提供了该研究中使用的假肢硬件。

受人类生物学的启发,E-dermis使使用者能够感觉到连续的触觉感受,从轻触到痛感或痛苦刺激。研究小组创造了一个“神经形态模型”,模仿人类神经系统的触觉和疼痛感受器,让E-dermis能够像皮肤中的传感器一样,对感觉进行电子编码。通过脑电图追踪大脑活动,团队确定测试对象能够感知到他幻想手上的这些感觉。

然后,研究人员通过使用经皮神经电刺激或TENS的无创方法将E-dermis的输出连接到志愿者。在疼痛检测任务中,研究小组确定,受试者和假体在触摸一个尖锐物体的同时能够体验到自然的、本能的反应,而在触摸圆形物体时无疼痛。

E-dermis对温度不敏感,这项研究集中于检测物体曲率(触摸和形状感知)和锐度(用于疼痛感知)。Osborn说,E-dermis技术可以用来使机器人系统更人性化,也可以用来扩展或延伸到宇航员手套和太空服。

研究人员计划进一步开发这项技术,并更好地了解如何为截肢者提供有意义的感觉信息,以期使系统能够广泛用于患者。

约翰-霍普金斯大学是上肢灵活假肢领域的先驱。十多年前,该大学的应用物理实验室领导开发了先进的模块化假体肢体,截肢患者可以像控制真实的手臂或手一样控制肌肉和神经。

E-dermis在约翰-霍普金斯大学神经工程实验室的一名截肢志愿者身上测试了一年,志愿者经常重复测试以证明通过E-dermis获得一致的感官知觉。该团队与其他四名截肢者志愿者一起进行其他实验,以提供感官反馈。

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