新型电子皮肤能感知疼痛:或用于皮肤移植,背后是三项专利技术

雷锋网 2020/9/6 15:57:50 责编:远洋

知冷暖、感受疼痛,再也不只是人类「专属」了。

作为能让机器人产生真实触感的系统,电子皮肤大大提升了机器人的柔韧性和延展性,却无法做到像人类皮肤一样对疼痛做出反应。不过,一组澳大利亚皇家墨尔本理工大学(RMIT University)的研究团队近日宣布:通过设计三种功能完备的皮肤感受器,电子皮肤终于也能感受到疼痛刺激了。

2020 年 9 月 1 日,该团队题为 Artificial Somatosensors: Feedback Receptors for Electronic Skins(人工身体传感器:电子皮肤的反馈受体)的研究成果发表于期刊 Advanced Intelligent Systems(先进智能系统)。

电子皮肤能感知疼痛吗?

我们都知道,皮肤就是披覆在人体表层、直接与外界环境相接触的组织。实际上,遍及全身的皮肤是人体最大的器官,具有保护身体、排汗、感知冷热与压力等功能。

能够感知到外界信息变化,主要原因就在于皮肤由复杂的传感器组成。每当传感器检测到刺激,将会迅速向中枢神经系统发出信号,产生反应。

【皮肤分表皮和真皮,底下有皮下组织】

基于上述特性,旨在通过模拟人类皮肤传感功能实现甚至超越其性能的「电子皮肤」应运而生。除了机器人领域,电子皮肤在人工义肢、医疗检测和诊断等方面也展现出了应用前景。

近年来,人们对电子皮肤提出了更高的要求,电子皮肤已然发展到了超薄、可拉伸、可进行多参数检测的地步。

比如 2013 年,加州大学科学家研发出了能在一毫秒内迅速响应的「互动压力传感器皮肤」——一块沉积了一层薄聚合物、一层晶体管、一个有机 LED、一个压力传感器的硅晶片。

2014 年,德州大学奥斯汀分校科学家研发出了长 4 厘米、宽 2 厘米、厚 0.003 厘米的电子皮肤,这一内置了温度传感器、抗低压 RAM、微尺度换热器的可伸缩高分子材料,能通过静电力吸附在我们的皮肤上,用于帮助治愈帕金森症及癫痫症患者。

2017 年,中科院半导体研究所设计的超薄电子皮肤具有微米级超薄可拉伸衬底及蛇形电极结构,不仅不易被损坏,还能对人体脉搏、语音、呼吸、体表温度等生理信号进行实时快速监测。

然而,电子皮肤发展至今,还不能真实地模拟人类对于疼痛感的反应,而这恰好是上述 RMIT研究团队的切入点。

电子皮肤包含哪些技术?

在论文中,研究团队主要展示了三个关键的皮肤感受器:环层小体、热感受器和痛觉感受器。

这里需要解释的是,环层小体(lamellar corpuscle)又名潘申尼小体(pacinian corpuscle),呈卵圆形或球形,直径 1-4mm。在生物体中,它广泛分布在皮下组织、肠系膜、韧带和关节囊等处,主要作用是感受压觉和振动觉。

不难看出研究团队的主要目的——设计一款能感受压力、温度、疼痛的电子皮肤。

我们可以将上述三种感受器理解为多种功能单元的组合,包括:

  • 基于贫氧钛酸锶的决策型忆阻器(钛酸锶是一种无机化合物,分子式为 SrTiO3,可用作电子陶瓷材料和人造宝石);

  • 基于可拉伸金弹性体(聚二甲基硅氧烷)的压力传感器;

  • 基于相变氧化物(钒氧化物)的温度触发器。

研究团队还表示,制造过程不需要单独、复杂的热电模块或是用于概念体感器实际翻译的压电压力传感器。

值得一提的是,这项研究已获得临时专利,而在这项研究中,还结合了该团队先前已获专利的三项技术,具体包括:

  • 可拉伸电子产品:将氧化物材料与生物相容性有机硅相结合,可提供透明、坚固的可穿戴电子产品,只有一张纸那么厚。

  • 具有温度反应性的涂层:一种比头发丝细 1000 倍的涂层,由一种能对温度产生反应的材料制成。

  • 模仿大脑记忆的电子细胞:可模仿大脑长期记忆,回忆、保留先前的信息。

电子皮肤如何感知刺激?

论文中,研究团队展示了三种感受器的工作流程。

下图 a 部分展示的是三个感受器接收到刺激的情况:感受器通过灰质后角连接到脊髓,脊髓将信息传递给大脑。信息传递有两个通道,分别用于压力检测(蓝色部分)和温度检测(红色部分)。当压力、温度或疼痛达到设定阈值时,三个感受器的存储单元都将触发响应。

具体到各个感受器,环层小体未受刺激时,两路均为中等电流(b 部分);环层小体受到压力时,显著的大电流通过忆阻器(c 部分)。

无温度施加时,热感受器和痛觉感受器无电流流过忆阻器(d 部分);当温度作用时,热感受器和痛觉感受器会在忆阻器中触发导电灯丝,产生大电流(e 部分)。

最终,研究团队证明了这款电子皮肤具有对超出阈值的压力、温度、疼痛刺激做出真实表现特征及反应的能力。

对此,RMIT功能材料和微系统小组联合负责人、论文合著者之一 Madhu Bhaskaran 教授表示:

疼痛感应电子皮肤是朝着下一代生物医学技术和智能机器人技术发展的重大进步,也是未来反馈系统发展的关键一步,我们需要交付真正的智能假肢和智能机器人。

Madhu Bhaskaran 教授还做了一番展望:未来若传统的皮肤感应方法不再可行,可拉伸电子皮肤也可能成为非侵入性皮肤移植的一种选择。

自然,我们可以大胆想像一下,未来机器人也会有痛觉。

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关键词:电子皮肤

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