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电子皮肤让假肢也有真实触觉 未来还能长期监测生命体征和慢性疾病

发布时间:2018-11-28 访问次数:495次 来源:前瞻网 分享:

化学工程师鲍哲楠(Zhenan Bao)坐在加利福尼亚州斯坦福大学的办公桌旁,手持一张弹性的电子皮肤。它透明、柔软、厚度不到一毫米。当她将其对着光线时,构成电子互连的金属元件变得可见。薄如纸的电子皮肤可以和硬质电路板做很多相同的事情,而且会像皮肤一样产生皱褶。

“我们认为皮肤是一种可穿戴电子系统。” 鲍哲楠说,“它具有你想要模仿的所有组件,以制造出更好的假肢,可穿戴传感器和更智能的机器人。”与传统的刚性和脆性电子不同,皮肤具有弹性。它可伸缩和自我修复。皮肤包含一个卓越的集成节能传感器网络,可以承受压力、温度等。然而,对于像鲍哲楠这样的研究人员来说,建议使用类似皮肤的电子设备来为假肢提供触觉,这似乎是一个自然的飞跃。

在过去的15年中,大量的化学和材料科学进步使研究人员能够模仿许多皮肤的特性,如自愈能力、弹性和感应能力。现在,科学家们需要找到一种方法,将这些进步整合到一个单一的设计中。并且他们必须表明,这种类似皮肤的设备可以做的不仅仅是单个时间点的医学测量,以及使人造皮肤本身足够耐用,可以长时间佩戴。此外,不仅人类的皮肤提供了灵感,研究人员一直试图模仿章鱼等生物如何改变它们的外观。

新皮肤

人体皮肤是一种敏感、复杂和强健的器官。它具有防水功能,被割伤后可愈合。它的众多机械感受器可以检测到振动、压力和纹理等感觉,它们足够灵敏,可以检测微风或苍蝇的微弱压力。皮肤传感器与周围神经系统的紧密耦合负责我们的反应,使我们能够在没有意识到的情况下拾取不同重量、形状和纹理的物体。但对于一个手是惰性假肢的人,或者一个试图制造有弹性、低功耗设备的电气工程师来说,人类的皮肤是一个奇迹。

东京大学的电气工程师Takao Someya表示,早期研究皮肤类电子产品的研究人员主要关注机器人应用。具有触觉的机器人可以执行更复杂的任务,并且不太可能破坏东西或伤害人类。

但是,当Someya和他的同时代人努力让机器人有一些皮肤的相似之处时,他们却频频碰壁。柔性电子比刚性电子具有更大的弹性,但当在缠绕手指或肘状机器人关节时,仍限制了运动范围。 “我们很快意识到引入机械拉伸是多么重要。没有可拉伸性,就不可能将电子皮肤应用于关节或弯曲表面等移动部件。”Someya说,他在2003年制造了第一个大面积压力柔性传感器。随着这些电子设备变得更具伸缩性,研究人员意识到材料可以使其具有生物相容性并应用于皮肤本身。

2011年,材料科学家John Rogers(现在在伊利诺伊州埃文斯顿的西北大学)制作了他所谓的表皮电子:一种由薄膜构成的电路,其机械特性经过精心设计,可与人体皮肤相匹配。Rogers使用一套机械和材料工程技术制造出与柔性和可拉伸表面兼容的刚性硅,这是电子工业的首选材料。

Rogers仍然使用相同的基础技术。他实验室的研究人员对薄硅元件进行蚀刻,然后使用专门设计的印章来拾取它们,并将它们转移到橡胶状材料上。刚性部件位于“孤岛”上,经过机械设计以保护硅免受机械应变。硅电子元件, 包括发光二极管、电极和传感器,通过使用kirigami制成的弹簧状金属线连接,kirigami是一种使用剪和叠的折纸形式。

Rogers现在专注于医疗应用,包括假肢。为此,他与位于伊利诺伊州芝加哥的康复研究中心及医院Shirley Ryan AbilityLab的仿生医学中心主任Levi Hargrove合作。 Hargrove说,这项技术在过去十年取得了长足的进步。假肢手臂和手现在已经存在,带有关节的手指,可旋转的手腕和肘部。它们可以举起沉重的重物,但是它们缺少检测所需的传感器,例如,一杯滚烫的咖啡,神经迅速将相应的反应信号传回手中:放下它!

Hargrove和Rogers正在合作开发一种系统,他们希望这个系统能让人们控制一只假手时,就像控制一只真手一样,运用自如。当佩戴者想象移动手腕或握紧并打开拳头时,他们的肌肉也会跟着收缩。一些假肢(大多数在研究实验室中)使用肌电图,电极放置在截肢部位的肌肉上,以接收微弱的电子收缩痕迹。然后,机载处理器解释这些电子信号以控制假肢。这种方法很有前景但略显笨拙,需要收缩的橡胶袖口将2毫米高的电极固定在肌肉上方。电极会刺激皮肤,袖口会感到不舒服,导致人们出汗,降低电子信号的质量。电气读数的准确性和细节也需要改进。

Hargrove和Rogers共同致力于提高这些系统的舒适性和准确性。他们的皮肤状肌电图贴片只有几十微米厚,重量极轻,有孔可以让汗水蒸发,且不会四处移动。到目前为止,研究人员对三个人进行了测试。每个表皮电子贴片只有几平方厘米,当放置在残肢上时,允许用户控制他们的机器假肢。

但他们现在必须克服的主要挑战是皮肤本身。 “你受到去角质的限制。”罗杰斯说,“死皮细胞的堆积会破坏粘连和电子测量的便利性。”因此,这些贴片本身最多只能持续一到两周。 “我们想能维持几个月,”他说。每次更换贴片时,用户必须重新调整:位置的微小变化意味着它从一组稍微不同的肌肉中获取信号。这样一来,用户都必须每次重新学习如何控制他们的机器假肢。Rogers希望与生物学家合作解决这个问题,并希望帮助他形成一种酶饱和的粘合剂来消化死皮细胞。

这些弹性贴片不仅可以拾取电子信号,还可以拾取化学信号和物理信号。一些研究人员,包括Rogers,正在使用它们来测量代谢物,如乳酸,这是肌肉疲劳的迹象,或汗液中的葡萄糖。 Someya正与东京庆应大学医学院的皮肤科医生合作开发电子皮肤贴片,通过测量皮肤的蒸发速率来评估过敏症。干燥通常是过敏症的一种症状。他正在开发超轻型传感器,看起来像一个临时纹身来监测血氧和心率,同时还开发了可穿戴显示器,使数据可视化。

Someya说,电子皮肤最有希望的潜在应用之一是监测数年或数月的生命体征和慢性疾病。在测试中,贴片的测量结果至少与传统医疗设备一样准确,但它们更舒适,人们甚至感觉不到。然而,在研究人员改进技术的可用性之前,不可能进行长期监测。一种方法是使传感器一次性使用,如贴膏药。但每次重新应用传感器时,都必须重新校准数据计算。到目前为止,大多数研究都很短,但研究人员需要长期数据来开发他们的算法,他们希望这个问题能很快就得到解决。

寻找神经

持续运行的传感器,例如电子皮肤的传感器,无论是数月还是仅仅一天,都会带来巨大的信息处理挑战。为了处理传统计算机所做的信息,他们必须将每个数据点发送到一个中央处理单元,效率低下且耗费电池。

为了突破这种潜在的数据冲击,鲍哲楠正从哺乳动物和其他动物处理信息的方式来寻找灵感,这是低功率和容错的。鲍哲楠已经描述了她所谓的“人造神经”,模仿皮肤机械感受器,神经元和将它们连接到脊髓的突触。这种人造神经由本身有弹性的导电聚合物制成。内部的电路也是生物启发的。人工神经将来自压力传感器的读数转换成类似于真实神经发送的电信号。然后,不是单独处理每个信号,而是通过模拟生物突触的晶体管将这些信号相加。这有两个好处。一来可以帮助确保生物相容性。二来使得系统非常灵敏,可以检测和读取像盲文凸起一样小的东西。

首尔国立大学化学工程师Kim Dae-Hyeong Kim说,把皮肤和神经系统之间的回路封闭起来,让佩戴者既能“感觉”到假肢,又能像控制真正肢体那样自然地控制假肢,这将是一项挑战。传感只是这种系统的一部分。神经信号是双向的,进入大脑后又返回,当一个人能感觉到假肢的感觉时,他们也能做出反应,不管是自愿的还是非自愿的。

鲍哲楠对模仿天然反应特别感兴趣。例如,我们不去想它,就会迅速地将手从疼痛中抽离出来。这要归功于对感觉数据的复杂处理:首先,所谓的传入神经将信息从指尖传感器传递到脊髓。然后,传出神经迅速将肌肉控制信号传回手部。鲍哲楠的人工神经已经做了类似的事情,将机械信号加起来并将它们转换为动作信号。 鲍哲楠的团队甚至通过将人工神经(用于控制肌肉的反射编程)连接到蟑螂的腿上来进行粗略的演示。当按压人工神经时,腿就像被触摸一样抽搐。

这项工作还处于早期阶段,鲍哲楠将需要证明它在人身上起作用。她希望这种柔软的人造神经的未来版本具有生物相容性,可以与人体残肢的神经相连。 “我们开发出的这种材料具有类似组织的柔软性,”她说,这种柔软,旨在确保舒适性。但是,Kim指出,研究人员仍然需要研究如何将“非生物部分与生物部分”,也就是生物合成物,长期联系起来。

北京清华大学柔性电子技术中心主任Xue Feng认为,除了确保生物相容性外,设计师还必须确保这些系统具有可靠的电源。目前,电子皮肤必须通过电线连接到电源,这就要求人或机器人也要拴在一起,要么就用电池。

Xue Feng认为各种能量收集技术可以提供帮助。无需使用电线或电池意味着人工皮肤对于有假肢的人来说是可行的。 Feng的小组已经尝试使用将机械能转换为电能的材料。这可能意味着肘部的弯曲或者脚步声会转化为力量的震动。 Someya的团队一直在研究可拉伸的皮肤状太阳能电池,当它们被整合到电子皮肤的表层时,可以在白天供电。

与此同时,鲍哲楠已经开始研究更多生物启发的设计,包括能够愈合能力的电子材料。 8月,她的小组描述了一个自我修复的电子系统:一个可穿戴的心率监测器和简单的显示器。弹性系统依赖于聚合物的运动来“治愈”伤口。导电聚合物在被割伤后会一起回流,这意味着如果未来的机器人假肢被割伤,它就可以自行修复。

“我们了解了皮肤是如何工作的,然后我们试着看看我们如何模仿它。”鲍哲楠说。如果研究人员不仅可以使电子产品看起来像皮肤,而且还可以像它一样起作用,这对于那些穿穿戴假肢的人来说可能会产生很大的影响。 “目前,大多数假肢只是为了美观。”她说,“佩戴者更希望能够准确地操纵物体,甚至恢复他们的触觉。”