Розробили електронну чуттєву шкіру

Розробили електронну чуттєву шкіру
Штучна чуттєва шкіра на протезі руки

Дослідники з Університету Джонса Хопкінса (США) розробили «електронну шкіру», що імітує можливості реального шкірного покриву, повідомляє видання IEEE Spectrum. Розробку пропонують використовувати з штучними протезами, завдяки чому можна буде повернути можливість відчувати біль через штучну кінцівку.

Чому саме біль? Голові дослідження по розробці електронної шкіри Нітішу Тхакору, професору біоінженерії Університету Джонса Хопкінса постійно ставлять це питання.

«Больові рецептори, що знаходяться в шкірі, оберігають нас від пошкоджень, наприклад, від гострого ножа або гарячої сковорідки. Так само люди з ампутованою кінцівкою зможуть покладатися на сприйняття болю, який передаватиметься через штучну шкіру і протез, що дозволить захиститися від пошкодження останнього», – каже Тхакор. Також вчений пропонує більш комплексне і в якійсь мірі навіть поетичне пояснення: «Ми можемо повернути людині втрачене почуття сприйняття: від легкого дотику, до сильного тиску і больових відчуттів. Я думаю, що це зробить штучні протези більш подібними до живих».

У статті, опублікованій журналом Science Robotics, Тхакор, його аспірант Люк Осборн, а також їх колеги описують розробку і початкові випробування своєї системи «едерміс» (від англ. Electronic dermis, e-dermis – електронна шкіра). В одному з останніх тестів команда вчених постаралася додати штучному протезу можливість відчувати біль і передавати його носію.

На створення штучної шкіри дослідників надихнула особливість роботи біологічних рецепторів дотику, які перебувають в нашому шкірному покриві. Шкіра містить відразу кілька чуттєвих шарів. Створений «едерміс» теж складається з безлічі шарів. Правда виробляються вони з п’єзорезистивних і провідних тканин, а не різних живих клітин, як у випадку зі справжньою шкірою. Шари штучної шкіри можуть реагувати на різний рівень тиску: при сильній стимуляції «едерміс» швидше і сильніше передає відчуття, а при менш інтенсивній – більш повільно і слабкіше.

Отримана інформація від «електронної шкіри» перекладається в імпульси, схожі на ті, що використовуються справжніми нейронами для взаємодії між собою. Потім за допомогою невеликих електричних стимуляцій ці нейроноподібні імпульси передаються периферичним нервам шкіри ампутованої кінцівки, викликаючи почуття тиску і болю.

Для перевірки системи вчені запросили групу добровольців. Серед них виявився 29-річний чоловік з ампутованою вище ліктьового суглоба лівої рукою. Протягом двох місяців Люк Осборн складав карту периферичних нервів ампутованої кінцівки. Завдяки використанню слабких електричних стимуляцій аспірант зміг визначити, як периферичні нерви пов’язані з фантомними болями, які відчував запрошений доброволець. Під час дослідження Осборн виявив, що передача певного обсягу струму на певній частоті не тільки повертало людині відчуття дотику втраченої кінцівки, але і викликало фантомні больові відчуття. За словами Тхакора, біль був сильним, доброволець оцінював його на 3 бали за 10-бальною шкалою.

Розробили електронну чуттєву шкіру
Схема системи «едерміс»

Після проведення необхідного калібрування вчені зібрали систему цілком: «едерміс» помістили на пальці штучного протеза, модель нейроноподібних імпульсів завантажили в контролер протеза, а електричний стимулятор приєднали до культі ампутованої руки. Наступні тести показали, що людина здатна не тільки відчувати об’єкт, з яким проводить маніпуляції за допомогою штучного протеза, що викликає у неї почуття фантомної кінцівки, але також розрізняти чи є об’єкт, наприклад, круглим або гострим. У доповненні до цього протез був запрограмований на больові «відчуття», щоб автоматично відпускати гострий об’єкт при визначенні цього почуття.

В даному дослідженні вченим вдалося ефективно передати сенсорну інформацію до нервової системи людини за допомогою електричної стимуляції шкіри ампутованої руки, проте передача нейронних імпульсів може здійснюватися і за допомогою інших технологій. Великі надії покладають на технології імплантації спеціальних мозкових електродів, м’язової реіннервації (відновлення постачання тканин нервами, що забезпечує їх зв’язок з центральною нервовою системою), а також розвиток технологій нейрокомп’ютерних інтерфейсів.

«Одного разу все це ми зможемо імплантувати і інтегрувати безпосередньо в нашу центральну нервову систему, а не просто в шкіру. Але наш підхід доступний вже тут і зараз», – прокоментував Тхакор.

Надалі він і його лабораторія планують зайнятися дослідженнями інших матеріалів, які могли б стати основою для «електронної шкіри» і дозволити передавати більш широкий спектр різних тактильних відчуттів.

Розроблена вченими технологія також може знайти свій потенціал в робототехніці і сфері технологій доповненої реальності. У подробиці Тхакор вдаватися не став, але цілком очевидно, що тактильні здібності дозволять роботам більш ефективно адаптуватися до роботи з різними об’єктами і справлятися з більш широким спектром завдань. Впровадження ж технології в виробничі процеси дозволить істотно знизити вартість штучної чуттєвої шкіри і розширить сфери її застосування.

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*