Синтетическая кожа передает сигналы в мозг и может сделать протезы чувствительными
Синтетическая кожа очень нужна при ампутациях, чтобы человек мог почувствовать тепло и давление. Но она хорошо подойдет и для роботов
Ученые Стэнфорда разработали мягкую и растяжимую электронную кожу, которая может напрямую общаться с мозгом, имитируя сенсорную обратную связь, как настоящая кожей. Если эта стратегия будет доведена до внедрения, это даст надежду миллионам людей с протезами конечностей.
Пока «электронная кожа» еще в стадии разработки, но уже сейчас устройство продемонстрировало хороший результат на лабораторной крысе. Когда исследователи нажали на «электронную кожу» крысы и послали электронные импульсы в ее мозг, животное ответило подергиванием лапки.
«Чувствующий» протез
Ученые давно работают над созданием протезов конечностей, которые не только восстанавливают движения, но и обеспечивают восприятие, например, ощущают давление, температуру и вибрацию, чтобы помочь восстановить нормальное качество жизни. Повреждение кожи и ампутация приводят к серьезному нарушению цикла восприятия и движения, поэтому даже такие простые задачи, как захват предмета, становятся сложными и требуют зрительного контроля: здоровый человек может взять стакан, не глядя.
«Если вы возьмете стакан пива и не почувствуете, что оно холодное, то вы не почувствуете и правильный вкус», — говорит Равиндер Дахия, профессор электротехники и вычислительной техники Северо-Восточного университета в Бостоне.
Такая электронная кожа будет очень кстати для роботов. С электронной кожей они будут испытывать те же ощущения, что и люди. Это очень важно для обеспечения безопасности в тех отраслях, где роботы и люди физически взаимодействуют друг с другом, например, передают инструменты на производстве.
Но ощущение прикосновения — сложная вещь. Человеческая кожа имеет миллионы рецепторов, которые чувствуют, когда их касаются или сжимают. Они реагируют на это, посылая электрические импульсы в мозг по нервам. В ответ мозг посылает информацию обратно, побуждая мышцы двигаться. Кроме того, биологическая кожа может растягиваться многократно в течение многих десятилетий, не теряя эластичности и чувствительности.
Новая кожа
Команда из Стэнфорда под руководством профессора Чженань Бао уже несколько лет работает над созданием электронной кожи. Но в более ранних работах ученые использовали жесткую электронику и напряжение в 30 вольт, а это небезопасно. Кроме того, кожа не выдерживала многократных растяжений без потери электрических свойств.
«Сложность заключалась не столько в том, чтобы найти механизмы, имитирующие замечательные сенсорные способности человека, сколько в том, чтобы собрать их вместе, используя только материалы, похожие на кожу», — говорит Бао.
В новой электронной коже используются сетевые слои растягивающихся органических транзисторов, которые воспринимают и передают электрические сигналы. Когда все слои склеены между собой, их толщина составляет всего 25-50 микрон — это, примерно, как толщина бумаги.
Слои транзисторов действуют как датчики для восприятия давления, температуры, деформации и химических веществ. Они превращают сенсорную информацию в электрический импульс. При этом электронная кожа работает всего от 5 вольт электричества.
Чтобы протестировать систему, команда Стэнфорда имплантировала ее в живую крысу. Когда крыса прикасалась к электронной коже, импульс передавался по проводу в мозг крысы, в частности, в область соматосенсорной коры, которая отвечает за обработку физических ощущений. Мозг крысы реагировал на это, посылая электрический сигнал к ее лапке. Для этого использовалось устройство, которое усиливает и передает сигналы от мозга к мышцам, имитируя связи в нервной системе. Лапка крысы дернулась, причем ее движение соответствовало различным уровням давления.
Когда устройство будет испытано на людях, для передачи сенсорной информации электроды в мозг вживлять не потребуется. Вместо этого команда предполагает использовать беспроводную связь между электронной кожей и электрическим стимулятором, расположенным рядом с живым нервом.