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人工皮肤让假肢也有触觉

时间: 2015年11月16日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
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。


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:鲍哲楠实验室)

斯坦福大学的工程师研制出了一种塑料“皮肤”,它能够检测出被施加了多大的压力,并产生一种电信号来将这种感官输入信号直接传递给大脑细胞。

斯坦福大学的化学工程教授鲍哲楠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自愈,还能作为传感网络给大脑传递触觉、温度和痛觉信号。鲍哲楠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。

这次发表在《科学》的成果使鲍哲楠向目标更进了一步。 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。

鲍哲楠解释道:“这是首次成功地让类似皮肤的柔性材料检测压力并把信号传递给神经系统的一部分。”她带领的17人组成的研究团队取得了这项成就。

数字化的触觉

这项技术的核心是一个双层的塑料结构:顶层具有传感器的功能,底层则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,顶层作为重要的传感器,能够检测到和人类皮肤感受范围相同的压力,从手指的一次轻触到一次坚定有力的握手。

五年前,鲍哲楠研究团队的成员首次描述了如何通过测量塑料和橡胶分子结构的自然弹性把它们用作压力传感器。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,提高了对压力的敏感度。

为了通过电子方式利用这种感压性能,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,这些强弱不一的电脉冲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

鲍哲楠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 Center,PARC)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,证明人工皮肤能够产生一种与神经细胞相容的感觉输出。

鲍哲楠说,光遗传学只是用来实验性地证明人造皮肤这一概念,其它刺激神经的方式可能会用在实际的假肢装置中。鲍哲楠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。

鲍哲楠的团队预想研发不同的传感器来复制皮肤的一些能力,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其他传感器。而且这种喷墨打印的制造工艺也表明,可以把传感器组成的网络沉积在一个柔性层上,这些柔性的结构可以在假肢上自由弯折拉伸。

“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,我已经知道人工皮肤的研究今后要往哪里走了。”鲍哲楠说道。(翻译:吴苏栗  审校:檀泽浩)

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