Главная / Искусственная кожа, которая может передать чувство давления мозгу
20.10.2015 |
|
 Инженеры Стэнфорда создали пластиковую «кожу», которая может обнаружить прикладываемую к ней силу и генерировать электрический сигнал, чтобы доставить эту сенсорную информацию прямо к живой клетке мозга.
Исследователи провели десять лет в попытке разработать материал, который имитирует способность кожи к изгибу и исцелению, а также служит в качестве сети датчиков, которые посылают различные сигналы в мозг. В конечном счете они стремятся к созданию гибкой электронной ткани со встроенными датчиками, которая могла бы покрыть протез и копировать некоторые из сенсорных функций кожи.
Их работа делает еще один шаг к их цели путем репликации одного из аспектов прикосновения, сенсорного механизма, который позволяет нам различать разницу давлений между безвольным рукопожатием и крепким сжатием.
Сердцем методики является двухслойная конструкция из пластика: верхний слой создает механизм зондирования, а нижний слой действует как цепь для транспортировки электрических сигналов и их перевода в биохимические стимулы, совместимые с нервными клетками. Верхний слой включает в себя датчик, который может обнаружить давление в том же диапазоне, как и человеческая кожа, от легкого нажатия пальцем, до крепкого рукопожатия.
Пять лет назад исследователи описали, как использовать пластик и каучук в качестве датчиков давления путем измерения естественной упругости их молекулярных структур. Затем они увеличили эту чувствительность посредством естественного давления с помощью прижатия образца к тонкому пластику, который дополнительно сжимает пружины молекулярного пластика.
Чтобы воспользоваться этой возможностью зондирования давления в электронном виде, исследователи разбросали миллиарды углеродных нанотрубок через колебания пластика. Приложение давления на пластик сжимает нанотрубки ближе друг к другу и позволяет им проводить электричество.
Это позволяет пластиковому датчику имитировать человеческую кожу, которая передает информацию о давлении в короткие электрические импульсы, аналогичные азбуке Морзе, в мозг. Повышение давления на нанотрубки сжимает их вместе еще ближе, позволяя большему количеству энергии проходить через датчик, и эти различные импульсы посылаются в виде коротких импульсов к механизму зондирования. При ослаблении давления поток импульсов расслабляется, указывая на легкое прикосновение. При удалении всего давления импульсы прекращаются полностью.
Затем исследователи подключили этот механизм ощущения давления ко второму слою их искусственной кожи - гибкой электронной схеме, которая могли бы нести импульсы энергии к нервным клеткам.
Исследователи также разрабатывают гибкую электронику, которая может гнуться, не ломаясь. Для этого проекта, члены команды работали с исследователями из компании Xerox, которая имеет технологию, использующую струйный принтер для нанесения гибких схем на пластик. Покрытие большей поверхности является важным, чтобы сделать искусственную кожу практичной, и данное сотрудничество предлагает эту перспективу.
Наконец ученые должны была доказать, что электронный сигнал может быть признана биологическим нейроном. Это сделал это путем адаптации методики, которая сочетает генетику и оптики - под названием «оптогенетика». Исследователи разработали клетки, чтобы сделать их чувствительными к определенным частотам света, а затем использовать световые импульсы для переключения ячейки или осуществления процессов внутри них.
Для этого эксперимента члены группы разработали линию нейронов, чтобы имитировать часть нервной системы человека. Они перевели на электронные сигналы давления от искусственной кожи в световые импульсы, которые активировали нейроны, доказывая, что искусственная кожа может генерировать сенсорную реакцию, совместимую с нервными клетками.
Оптогенетика ранее использовалась только в качестве экспериментального доказательства концепции, и другие методы стимулирования нервов, вероятно, будут использоваться в реальных протезах. Исследователи предусматривают разработку различных датчиков для репликации чувства прикосновения - например, способность различать вельвет от шелка, или стакан холодной воды от горячей чашки кофе. Это займет время. Есть шесть типов механизмов биологического зондирования в человеческой руке, и эксперименты сообщают об успехах только в одном из них.
Но нынешний двухслойный подход, означает, что исследователи могут добавить ощущения по мере того, как они развивают новые механизмов. И процесс изготовления струйной печати показывает, как сеть датчиков может быть нанесена на гибкий слой и сложена на протезе руки.
|
|
