datasheet

让假肢感到痛,需要什么样的生物电子黑科技?

2018-07-05来源: 互联网 关键字:假肢  疼痛  传感器  e-dermis

疼痛当然不会令人愉悦,但对截肢患者来说,让假肢适当疼痛却是他们长久以来的盼望。为什么需要痛?原来痛感就是一个信号,说,“嘿,小心!”,可以避免假肢损坏。要知道,一些假肢价格超过70,000美元。那么,实现假肢痛感,要用到哪些技术?

《星球大战》中的绝地武士天行者卢克在与达斯维达的一次交锋中失去了右手,接上高科技假肢后仍然跟真正的手一样灵活自如,而且指尖和手掌可以感受到针尖的刺痛。这一幕正逐渐成为现实。

为什么假肢需要痛感?

如果想让假肢感受葡萄的软度或者手的温度,这很容易理解。但是,为什么需要感觉痛?

图片来源:DARPA

实际上,疼痛这种感觉是很有用的,它就像一个信号,说,“嘿,小心!”。皮肤中的疼痛传感器能保护我们的身体免受高温或利具的伤害。同样,截肢者可以依靠对疼痛的感知、利用疼痛信号来保护假肢免受损坏。

人们有时候还会无意识地把假肢当作工具使用。要知道损坏假肢有可能代价惨重,因为一些假肢的费用超过70,000美元。

假肢痛感要哪些技术来实现?

哪些技术能够让假肢模仿我们皮肤的天然能力,感知并传递疼痛感呢?

e-dermis”系统

最近在《科学机器人》上发表的一篇论文中,约翰霍普金斯大学(JHU)的Thakor教授与其研究生Luke Osborn描述了他们正在研发的“e-dermis”系统和初始测试结果。e-dermis可让假肢感知和传递疼痛感,也许在不久的将来,假肢可以跨越机器与人体的界线,为众多假肢患者带来更为人性化的感知。

图片来源:Osborn等提供

不具备触觉反馈或知觉的假肢不能分辨物体的粗糙、光滑、尖锐,以及冷热。为了克服这些缺陷,JHU的研究人员通过模仿疼痛在人体自然皮肤上的作用方式开发出来e-dermis系统。具体来说,e-dermis系统模拟皮肤内称为伤害感受器的神经细胞处理疼痛的方式,并通过机械感受器将产生的信号传递给大脑进行加工(要知道,当人们的伤处感到疼痛时,真正的疼痛感是由大脑产生的)。

Thakor教授称,真正的皮肤由多层受体组成,那些传感层以不同的方式对压力作出反应:一些对刺激作出快速反应,另一些反应则稍慢。e-dermis是一种电子皮肤,也有许多层(由压阻和导电织物制成,当然不是不同类型的细胞),以感知和测量压力。

来自e-dermis的压力信息被转换成类似神经元的脉冲,然后通过微小的电刺激将类神经元信号传递给截肢者皮肤中的外周神经,以引起压力感,即疼痛感。

JHU团队在一位不愿透露姓名的截肢患者身上做了一系列测验。这名29岁男子在实验中会感受到压力,指尖的敲击,甚至是引起疼痛感觉的物体。他可以分辨出非痛苦和痛苦的触觉感知之间的区别,包括物体的曲率变化和尖锐的边缘。这位参与者描述:“许多年后,我又感觉到了自己的手,就好像一个空壳再次充满了生命。”研究团队发现,在这个过程中,以特定频率提供的适量电流不仅会引发触觉,而且会带来痛苦感。

电子皮肤传感器

上述e-dermis系统实际上就是电子皮肤。电子皮肤的概念并不新鲜。刘慈欣的科幻小说《三体》中就描绘过这种增强现实的电子皮肤。

电子皮肤能感知到压力、被割伤时能自愈,且能处理感知的数据。这是未来有一天假肢能够与神经系统相连并传送触觉的关键一步。即使这个目标暂时还不能实现,但这种柔软且附着力好的电子皮肤也可以让截肢患者及烧伤患者进行更多的日常工作,比如捡起一些小东西,而且这种皮肤很可能帮助患者减轻幻肢痛。

电子皮肤的传感器通过放置在皮肤上的电极连接到佩戴者的假体上,而且与真正的神经传递信号的方式相似。根据电子装置传递的不同脉冲模式,电子皮肤能够传递从轻触到疼痛的一系列感觉。

斯坦福大学鲍哲楠团队研制了一种触觉传感器,把导电的碳材料混入。当材料受力时,导电橡胶膜中的电压就会发生改变。课题组发现,用特定模式的微尺度锥体覆盖触觉传感器能够增加它们的触觉敏感度——就像我们指纹上螺旋一样。根据这种设计做出来的传感器与我们手部的皮肤一样敏感。课题组还将晶体管、电引线和其他组件印在橡胶皮肤上,做成有弹性的电流回路,把触觉传感器上的数据传递到假肢手部。如下图所示,在显微镜下,触觉传感器上细小的角锥体清晰可见。这些50μm宽的特色结构增进了敏感度,就像我们隆起的指纹一样。

图片来源:MIT Technology Review

下图中木制假手上的每个指尖都装上了有弹性的触觉传感器,与它们连着的电线能将数据传往手掌中灵活的电子控制中心。

图片来源:MIT Technology Review

电子皮肤材料

有人说石墨烯是一种万能材料,这个说法虽然夸张,却也有一些道理,比如格拉斯哥大学(University of Glasgow)的研究团队研究出的石墨烯电子皮肤就可以让假肢产生触觉。这种新型的电子皮肤由单层石墨烯制成,与碳片组成具有延展性和韧性的结合材料,最后再与太阳能电池结合来实现导电和充电。

加入了这一层皮肤的假肢在开启了皮肤功能之后可以控制抓取物体的力道,即便是易碎的鸡蛋也可以稳稳地拿起和放下,但如果没有这一层皮肤,就立刻失去了应有的按压反馈,最终导致抓取物品力道难以控制甚至发生意外。

与此同时,斯坦福大学鲍哲楠团队正在研发一些更奇妙的材料。其中的一种高分子材料模拟了人体皮肤两个最重要的特征:伸缩和自愈,比人的皮肤更有弹性,能被拉伸到自身长度的100倍而不受损坏。这种材料被割伤时可以自动愈合,并不需要加热或其它触发物。它还能作为一种较弱的人造肌肉,在施加电场时延展或收缩。

图片来源:MIT Technology Review

让假肢痛成为现实有哪些障碍?

从基础学科的角度,新材料的设计需要更好的电学功能和力学功能。

从工艺角度上,需要进一步实现更复杂、更大型的集成电路方式。

从应用角度,从实验室到大规模生产再到商业化应用还有很长的路。

总结

疼痛当然不会令人愉悦,但对截肢患者来说,适当的疼痛却是他们长久以来的盼望。理想的假体允许使用者保持完全的控制,并在需要时选择"关闭疼痛反应"。JHU及其它假肢触觉项目的研究人员正在寻求更加逼真的电子皮肤材料、传感器,以及假肢触觉传输方式,希望有一天可以达到真实的皮肤体验。


关键字:假肢  疼痛  传感器  e-dermis

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2018/ic-news07058849.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:和病患谈话就能评估身体状况的聊天机器人诞生
下一篇:飞利浦发布中国首个睡眠健康智能解决方案

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

哈佛大学中国博士创立“脑机接口”公司,帮助失臂女孩用意识控制假肢

创立了脑机接口技术公司 BrainCo,而另外基于脑科学研究与脑机接口技术,韩璧丞也帮助创立了为残疾人制造智能假肢的半公益项目BrainRobotics,BrainRobotics开发的产品可以帮助残疾人通过自己的意念控制假肢和手指,实现灵活运动,只需短期训练就可学会用假肢完成正常人的大部分手部活动,例如喝水或写字等,为残疾人带来极大的生活助益。而 BrainCo 公司所研发的智能硬件设备,已经可以用来提升学习与工作效率。在哈佛大学攻读博士期间,韩璧丞与学校教授大量讨论过用智能硬件提高人类学习成绩与学习效率的可能性,他发现脑电技术在医疗领域已较为成熟,但医用脑电设备往往体积庞大、使用复杂、佩戴携带也十分不便,这显然阻碍了脑电技术
发表于 2018-09-07

人造神经系统为假肢与机器人提供皮肤触感

美国斯坦福大学和韩国首尔国立大学研究人员开发了一种人造感觉神经系统,可以激活蟑螂的抽搐反射,还能识别盲文字母。相关文章发表在近日的《科学》杂志上,这项为假肢创造人造皮肤的工作,是恢复截肢者感觉的第一步,也许有一天可以为机器人提供一些反射能力。该成果模仿了皮肤如何伸展、修复自身的过程,它像智能感官网络一样,不仅知道如何将愉快的感觉传递给大脑,还知道什么时候命令肌肉做出反射性的及时决定。斯坦福大学化学工程教授、论文资深作者之一鲍哲南说,皮肤是一个复杂的传感、信号和决策系统,人造感觉神经系统是为各种应用创造类似皮肤感觉神经网络的关键步骤。这篇论文描述的人造感觉神经回路,可以嵌入未来用于神经假体装置和软体机器人的类皮肤覆盖物中。其集成
发表于 2018-06-04

智能假肢,何时得以无缝连接?

对于肢体残障人士来说,希望假肢不仅仅可以实现美观作用,更可以用“意念”控制,从而真正达到“如臂使指”的效用。美国的DARPA(国防高级研究计划局)为方便战场负伤士兵的日常生活,十多年前即着手研发号称“卢克之手”的仿生假肢,目前已获美国食品药品管理局批准。英国的i—limb机械手已进入商用。而中国科学院深圳先进技术研究院科研团队致力于将这类“意念控制”的假肢轻量化、低价化,目前研究已取得一定成果,并进行了人体实验。那么,人是如何用“意念”控制假肢?它们和原生肢体还有多大差距?如何用“意念”控制假肢既然是仿生,那么首先就要研究“人是如何操控原生肢体的”。科学家发现,人通过神经元控制身体各组织器官,会产生生物电信号,这种信号中载有
发表于 2017-09-06

这位21岁大学生发明的假肢 可以改变人们的生活

根据国外媒体报道,21岁的大学生Easton LaChappelle的这项新发明,未来可能会改变成千上万截肢患者的生活。他发明了一种新的机械假肢,成为大约4000美元(约合人民币26688元)。而在LaChappelle开发这种新假肢的过程中,微软和Belief Agency给予了很大的帮助,并且拍摄了三段视频,展示了这种假肢从无到有的过程,并且如何概念一位小女孩的生活。在过去的几年里,假肢技术其实已经有了飞速的发展。得益于电池技术的进步、机器人的小型化和无线接收器的改进,假肢要比以往能做更多的事情,但是大部分的假肢造价都极其昂贵,普通人根本负担不起。LaChappelle在他十几岁的时候,就引起了许多机器人专家的注意
发表于 2017-08-18
这位21岁大学生发明的假肢 可以改变人们的生活

给身体装个“USB接口” 让装假肢变得更自如

对于因为病患或事故截肢的残疾人来说,假肢的出现为他们带来了新的生活,但是,假肢除了给他们的生活带来一些便利之外,更多的是痛苦。目前来说,假肢需要定制,每个人有不同的尺寸,价格也十分昂贵,而且如果病人的体型发生变化(胖或瘦),那么还要对假肢进行调节,由此又增加了成本。更重要的是,长期佩戴假肢,会时不时地对人的身体造成伤害,比如假肢长期接触会造成皮肤出血,更严重会引起炎症甚至感染等,这些都会成为佩戴假肢患者的痛苦回忆。近日,初创企业“剑桥生物强化系统(Cambridge Bio-Augmentation Systems,CBAS)”在著名孵化器 Y Combinator举办的Demo Day上大放异彩,他们所做的东西,就是为了把上述
发表于 2017-03-27
给身体装个“USB接口” 让装假肢变得更自如

类似创可贴的微针贴片令接种流感疫苗不再疼痛

对于很多人来说,打针是件可怕又痛苦的事。 而现在科学家已经研发出一种无痛注射疫苗。 在人体临床试验中,他们发现无痛微针贴片在输送流感疫苗方面同样有效,并且比普通针头更容易注射、运输、储存和处置。这种微针贴片上包括了一些微小塑料针头。在使用时,就像在皮肤上贴了创可贴。 另外,这些微针在短时间内溶解,将疫苗有效送入血管。该技术不仅无痛,而且因为疫苗已进行干燥处理,在运输或储存过程中不需要冷藏。而可溶解的微针则意味着使用过的贴片可以安全地被丢弃。研究人员希望这种微针贴片的便利性可以鼓励更多的人每年接种疫苗,目前美国成年人接种疫苗率约为40%左右。这项研究的首席研究员Nadine Rouphael表示:“尽管建议民众接种流感疫苗,
发表于 2017-07-01
类似创可贴的微针贴片令接种流感疫苗不再疼痛

小广播

最新视频课程更多

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 医学成像 家庭消费 监护/遥测 植入式器材 临床设备 通用技术/产品 其他技术 综合资讯

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2018 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved
pt type="text/javascript" src="//v3.jiathis.com/code/jia.js?uid=2113614" charset="utf-8">