Электронная кожа научит протезы осязать и болеть

20 июня 2018



Инженеры Университета Джона Хопкинса создали электронную кожу, которая способна восстановить реальное тактильное чувство у людей, использующих протезы. Электронная кожа даст возможность людям с ампутациями конечностей воспринимать тактильные ощущения посредством кончиков пальцев протезов.

Инженеры Университета Джона Хопкинса создали электронную кожу, пытаясь восстановить чувство прикосновения посредством кончиков пальцев протезов.

После ампутации люди часто испытывают ощущение «фантомной конечности» — чувства, что недостающая часть тела все еще существует. Эта иллюзия в определенном смысле может стать реальностью благодаря команде инженеров из Университета Джона Хопкинса, которая создала электронную кожу — «e-dermis» (э-дерма). Когда покрытие «e-dermis» накладывается поверх протезных рук, людям возвращается реальное ощущение осязания через кончики пальцев. «Спустя много лет я почувствовал мою руку, как будто пустотелая оболочка конечности вновь наполнилась жизнью», — говорит анонимный человек-ампутант, который служил главным волонтером-тестировщиком команды.

Изготовленная из ткани и резины и пронизанная датчиками для имитации нервных окончаний e-dermis воссоздает ощущение осязания и боль, распознавая раздражители и передавая импульсы в периферические нервы. «Мы создали воспринимающее устройство, которое проводит действие раздражителя через пальцы протезной руки и работает, по сути, как ваша собственная кожа», — говорит Люк Осборн, аспирант по биомедицинской технике. «На создание материала нас вдохновили процессы, происходящие в биологии человека, а именно, рецепторы тактильной и болевой чувствительности. «Это интересно и перспективно, — сказал Осборн, — потому что теперь протезная рука, которая уже есть на рынке, может быть усовершенствована с помощью электронной дермы, после чего она может рассказать владельцу, собирает ли он что-то круглое или что-то остроконечное».

Работа, опубликованная 20 июня 2018 года в журнале «Science Robotics», показывает, что можно восстановить ряд естественных, сенсорных ощущений для пациентов с ампутациями, которые используют протезные конечности. Способность обнаруживать боль может быть полезной не только в протезах рук, но и в протезах нижних конечностей, например, предупреждая пользователя о возможном повреждении устройства. Кожа человека содержит сложную сеть рецепторов, которые передают различные ощущения в мозг. Эта сеть и обеспечила исследовательскую группу, в которую входят специалисты Университета Джонса Хопкинса по биомедицинской инженерии, электротехнике и вычислительной технике и неврологии, а также ученых из Сингапурского института нейротехнологий неким биологическим лекалом для создания их электронной кожи.

Осборн говорит, что привнесение элемента человеческого в современные протезные конструкции имеет решающее значение, особенно когда речь идет о способности чувствовать боль. «Боль, конечно, неприятна, но она важна, как защитное чувство осязания, которое отсутствует в протезах, доступных в настоящее время для людей потерявших конечности», — говорит он. «Достижения в дизайне протезов и их механике могут помочь восстановить утраченную механическую функцию после ампутации, но часто пациентам не хватает другой значимой функции — осязательной обратной связи, т.е. восприятия». Именно здесь на помощь приходит э-дерма, которая передает информацию в мозг человека-ампутанта, стимулируя периферические нервы в его руке, подобно тому, как это происходит при синдроме фантомной конечности. Устройство e-dermis делает это, электрически стимулируя периферические нервы ампутанта неинвазивным способом, через кожу, говорит старший автор исследования Нитиш Тхакор, профессор биомедицинской инженерии и директор Лаборатории биомедицинских инструментов и нейроинженерии в Университете Хопкинса. «Впервые протез может предложить целый диапазон восприятий: от тонкого касания до вредных для ампутанта воздействий, что делает его более похожим на человеческую руку», — говорит Тхакор.

Созданная согласно принципам человеческой биологии, электронная дерма позволяет ее пользователю ощущать непрерывный спектр тактильных восприятий, от легкого прикосновения до вредных или болезненных стимулов. Команда создала «нейроморфную модель», имитирующую сенсорные и болевые рецепторы нервной системы человека, позволяя электронной дерме кодировать ощущения так же, как это делают рецепторы кожи. Отслеживая деятельность мозга посредством электроэнцефалографии или ЭЭГ, команда определила, что испытуемый действительно воспринимал ощущения своей фантомной руки. Затем исследователи соединили выход e-dermis с добровольцем, используя неинвазивный метод, известный как чрескожная электронейростимуляция (ЧЭНС). В задаче обнаружения боли команда определила, что тестируемый, посредством протеза смог испытать естественные рефлексивные реакции на два вида воздействия: боль при касании острого предмета и отсутствие боли при касании круглого объекта.

В э-дерме отсутствуют термометры, поэтому она не чувствительна к температуре — для этого исследования команда сосредоточилась на обнаружении кривизны объекта (для восприятия касания и формы) и его остроты (для восприятия боли). Технология e-dermis может быть использована для создания более очеловеченных роботизированных систем и может также использоваться для создания перчаток астронавтов или их скафандров, говорит Осборн. Исследователи, в рамках подготовки системы к возможному широкому использованию, планируют дальнейшее развитие технологии и углубление понимания того, как обеспечить людям, лишившимся конечности, получение максимально полной сенсорной информации.

Университет Джонса Хопкинса является пионером в области создания высокоэффективных протезов верхней конечности. Более десяти лет назад Лаборатория прикладной физики университета возглавила разработку усовершенствованной модульной протезной конечности, которая контролируется мышцами и нервами пациента, которые когда-то контролировали его или ее реальную руку или кисть. Э-дерма в течение года тестировалась на волонтере-ампутанте в Лаборатории нейроинженерии Университета Джонса Хопкинса. Команда также работала с четырьмя другими добровольцами.