有“感觉”的人造电子皮肤

澳大利亚皇家墨尔本理工大学(RMIT)的研究人员研发了一款人造电子皮肤,可以模仿人体的即时反馈响应,感知疼痛、温度和压力,并转化为神经信号。

2020年09月10日



皮肤是人体最大的感觉器官,通过皮肤可以感知很多事物。而人造皮肤也是康复领域的一个热门话题。我们曾介绍过一款人造神经系统,它可以通过触摸传感器识别信息,如盲文中的文字。本期要介绍的是更进一步的人造电子皮肤。

近日,澳大利亚皇家墨尔本理工大学(RMIT)的研究人员在Advanced Intelligent Systems上首次发表了关于人造电子皮肤的论文。该设备模仿人体的即时反馈响应,可以感知疼痛、温度和压力,并转化为神经信号。

人体如何感受压力、温度和疼痛?在皮下组织和其他部位,存在一种叫做潘申尼小体(Pacinian corpuscle,又称环层小体)的卵圆形或球形物体,例如指纹。

当局部压力作用在身体上时,环层小体的一部分会变形,从而导致钠离子或钾离子移动,在皮肤末梢产生电位,因此感受压觉和震动觉。而温度的感受需要依靠体温感受器,当皮肤温度变化时,体温感受器开始激发动作电位。如果超过一定的阈值,检测疼痛信号的热痛觉感受器就会通过脊髓向中枢神经系统发送信号。

研究人员根据这些原理设计了体外传感器(如下图所示),蓝色部分为压力传感器,红色部分为温度传感器。

该团队此前获得了三项专利技术:可拉伸电子材料、温度反应涂层和模拟大脑记忆。研究人员使用氧化物材料和生物相容性有机硅结合,制成了一种可弯曲和拉伸但不会破裂的电子材料;采用相变二氧化钒为材料,制成了具有温度反应性的涂料,比头发还要薄1000倍;研究人员使用基于STO的存储器作为模拟大脑记忆的决策元件。

前面提到的压力传感器采用金和聚二甲基硅氧烷材料,它们可以在低电阻状态(LRS)和高电阻状态(HRS)之间切换,结合可拉伸技术,可以模拟环层小体的功能。

人工环层小体在有无压力时的电流大小

温度涂层可以感受温度,即起到了温度传感器的作用。

人工热感受器内电阻随温度的变化

疼痛传感器整合了三项专利技术,当信号超过一定的阈值后,就会被识别为痛觉,并以神经信号进行传递。当温度超过70℃会有较大的响应电流(图d)。

热痛觉感受器随温度变化的电流大小

通过这三种传感器的结合,温度、压力、痛觉信息都可以转化为电子信号,这为可穿戴设备和智能机器人的发展提供了有力的技术支撑。

首席研究员Madhu Bhaskaran说:“目前,还没有一种技术可以实现这种模仿人类感受的功能。但我们仍需要进一步开发,将该技术集成到生物医学应用中去。”

人造电子皮肤感受器可以替代受影响的人体皮肤区域,增强皮肤敏感性,在防御和运动中进行灵活应用,并推动智能机器人的进步。

参考资料

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202000094



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