一只能够感知痛感等级的假肢

通过模仿我们皮肤的天然敏感能力,约翰霍普金斯大学的一个研究小组正在研究能让假肢感知和传递疼痛感。

霍普金斯和IEEE研究员生物医学工程教授 Nitish Thakor 一直在研究探讨一个问题:人为什么会感知到痛苦?从实际意义上说,皮肤中的疼痛传感器有助于保护我们的身体免受诸如热风炉或锋利刀具等损坏物体的伤害。同样道理,Thakor说:截肢者可以依靠对疼痛的感知来保护他的假肢免受伤害。他提出了一个更全面的解决方案:“我们现在可以突破一种类似人类的感知,从轻触到压力到痛苦,我认为这使假肢更具人性化。”

最近出版的《科学机器人学》上的一篇研究中, Thakor 和研究生 Luke Osborn 及其同事描述了他们的“e-dermis”系统的设计和初步测试。这是最新的一项正在努力增加对假肢的触觉的尝试,卢克·天行者感觉到针扎着他手掌的手指和手掌。Thakor 说,霍普金斯团队的灵感来自于生物触摸受体在人体皮肤中的作用,真正的皮肤由受体层组成。同样,电子真皮具有由压阻和导电织物制成的许多层,而不是感觉和测量压力的不同类型的细胞。与真实皮肤一样,这些感应层以不同的方式对压力做出反应:一些对刺激反应迅速,而另一些则反应较慢。来自真皮层的压力信息被转换成类似于神经元的脉冲,类似于活神经元用来交流的电尖峰或动作电位。然后,这种神经元样或神经形态的信号通过小电刺激传递给截肢者的皮肤周围神经,以引起压力感,并且是疼痛感。

由于在研究中没有任命的专职志愿者,该团队能够实施并测试他们的系统。奥斯本花了两个月的时间绘制了一个29岁的男性截肢左臂周围神经的影像图。研究人员使用小的电刺激,绘制出志愿者肢体残肢的不同神经与他感觉肢体的感觉。

在这个过程中,奥斯本发现,在特定频率下传递的电流量不仅是触觉,而且是痛苦的感觉。(尽管他们刺激了神经,但没有太多的疼痛,直到志愿者在疼痛量表中感觉到3个10,Thakor 仔细记下。)然后,该小组将整个系统置于假肢的手指上的E-E真皮、假肢控制器中的神经元样信号模型和残肢上的电刺激器。通过该系统,志愿者可以清楚地分辨圆形和尖锐物体,并感觉到直接来自他的幻肢的感觉。在另一个实验中,假体被编程为疼痛反射,以便当疼痛被发现时自动释放一个尖锐的物体。在这个单一的案例研究中,触摸信息通过刺激截肢者的皮肤被传递到神经系统,但是它也可以通过其他技术来传递,例如植入电极、靶向肌肉再支配,并且也许有一天,大脑机器接口。

“有一天,所有这些都可以直接植入神经,而不是通过皮肤,但是这种方法在这里和现在都是可用的” Thakor 说。他也是一家修复无限生物技术公司的联合创始人。展望未来,他的实验室计划调查其他材料的真皮层,并探索如何提供更广泛的感觉。该技术也有可能在机器人和增强现实中应用,但 Thakor 拒绝透露任何当前的想法或项目的作品。但很明显,更好的触觉能力可以帮助机器人更好地掌握物体并执行更广泛的功能。如果机器人工业采用这样的技术,大规模制造可能会导致成本的急剧下降和广泛采用这类技术。

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