Протезы могут творить чудеса для восстановления потерянной функции в некоторых инвалидах, но одна вещь, которую они не могут сделать, восстанавливают точное осязание. Теперь, исследователи сообщают, что однажды в не слишком отдаленном будущем, те искусственные руки и ноги могут иметь осязание, близко напоминающее реальную вещь. Используя двойную из гибкой, тонкой пластмассы, ученые создали новые электронные датчики, посылающие сигналы в мозговую ткань мышей, близко подражающих сообщениям нерва датчиков прикосновения в человеческой коже.Многократные исследовательские группы долго работали над восстановлением прикосновения людям с протезами.
2 года назад, например, группа в Западном резервном университете Кейза в Кливленде, Огайо, сообщила о предоставлении людей протезными руками осязание путем проводки датчиков давления на руках к периферическим нервам в их руках.Все же несмотря на то, что эти трансгрессии восстановили элементарное осязание, датчики и сигналы очень отличаются от посланных механорецепторами, естественными датчиками прикосновения в коже.
Для начинающих естественные механорецепторы производят что суммы к цифровому сигналу. Когда они ощущают давление, они запускают поток импульсов нерва; чем больше давления, тем выше частота пульса. Но предыдущие осязательные датчики были аналоговыми устройствами, где больше давления производит более сильный электрический сигнал, а не более частый поток пульса. Электрические сигналы нужно тогда послать в другой чип обработки, преобразовывающий силу сигналов к цифровому потоку пульса, только тогда пересланному к периферическим нервам или мозговой ткани.
Вдохновленный естественными механорецепторами, исследователями во главе с Чжэньань Бао, инженер-химик в Стэнфордском университете в Пало-Альто, Калифорния, намеревался делать датчики, производящие в большом количестве цифровые сигналы непосредственно. Группа Бао начала путем очистки датчиков, которые они сначала сделали 5 лет назад.
В той более ранней работе группа проектировала крошечные резиновые столбы, содержащие электрически проводящие углеродные нанотрубки, помещенные по паре электродов рядом. Когда никакое давление не оказывается, резина, которая является изолятором, препятствует тому, чтобы поток тек между этими двумя электродами. Но, когда затронуто, давление хлюпает столбы, толкая проводящие нанотрубки вместе сделать непрерывный электрический путь и позволяя потоку течь. Когда давление удалено, резиновые столбы приходят в норму к своей оригинальной форме.
Для их текущей работы Бао и ее коллеги превратили их столбы в перевернутые пирамиды и щипнули их размер, таким образом, они были чувствительны к диапазону давлений от мягкого прикосновения до крепкого рукопожатия. Они также изменили установку электрода и добавили другой слой гибких электронных устройств, известных как кольцевые генераторы, преобразовывающие электрические сигналы, появляющиеся от сенсорных пирамид до потока цифрового электрического пульса.
Результат был то, что — точно так же, как сигналы от естественных механорецепторов — когда больше давления оказывается, генераторы оказываются пульсом в более высокой частоте.Но группа Бао не остановилась там.
Стэнфордская бригада также хотела видеть, могли ли бы мозговые ткани получить эти сигналы. Это, как правило, делается путем вставки металлических электродов в так называемую соматосенсорную кору животных и наблюдения их ответа. Но металлические электроды могут быстро повредить естественную мозговую ткань, лишив возможности изучать перемещение сигналов за длительные периоды. Таким образом для их текущего исследования, бригада Бао решила послать электронный пульс, прибывающий с датчиков прикосновения на светодиод, преобразовавший их в поток пульса синего света.
Бригада Бао тогда сотрудничает со Стэнфордскими коллегами, во главе с Карлом Дейссеротом, для генетической разработки соматосенсорной ткани коры мышей для поглощения синего света и огня в ответ. Они принесли некоторых в жертву спроектированных мышей и изолировали часть светочувствительной соматосенсорной коры, остававшейся жизнеспособной в течение нескольких часов. Наконец, они проверили свои датчики прикосновения и контролировали, получила ли мозговая ткань мыши сигналы и стреляла в ответ. В сегодняшней Науке они сообщают, что мозговая нервная ткань искренне воспроизвела образцы увольнения, прибывающие из датчика прикосновения.
Это вызывает надежды, что такие датчики могут в конечном счете помочь восстановить естественное чувство прикосновения инвалидам, говорит Бао.“Замечательно видеть, что исследование перемещается в этом направлении, и эта определенная бумага является впечатляющей”, говорит Джон Роджерс, химик и эксперт в гибкой электронике в Университете Иллинойса, Равнине Урбаны. И Роджерс и Бао отмечают, однако, что, давая инвалидам как будто естественное осязание все еще имеет способы пойти. Врачи, например, не будут в состоянии спроектировать ткань человеческого мозга для получения световых сигналов.
Это означает, что исследователи должны будут найти другие способы передать электрические сигналы от протезы к мозгу в пути, который стабилен и безопасен в течение долгих промежутков времени. Бао говорит, что она надеется использовать гибкую органическую электронику для этой задачи также.
В конечном счете, поскольку эти различные нити исследования ткут вместе, оно, вероятно, даст людям с протезами совершенно новое чувство для их окружающей среды.(Видео кредит: Bao Research Group)