Кожа для протезов, которая чувствует

Ученые из Стэнфорда разработали эластичную искусственную кожу со встроенной электроникой, который передает импульс в мозг. Материал может чувствовать давление, температуру и напряжение, как настоящая кожа.

В течение трех лет исследователи упорно работали над прототипом и, наконец, им удалось сделать электронную кожу, которая способна напрямую взаимодействовать с мозгом. В ней нет жестких компонентов, поэтому она мягкая, эластичная и тонкая — почти как настоящая.

«Трудность состояла не столько в том, чтобы найти механизмы, которые бы имитировали сенсорные возможности, связанные с человеческим ощущением прикосновения. Сложнее всего было объединить их, используя только материалы, похожие на кожу», — объяснила профессор факультета химического машиностроения Стэнфордского университета, старшая автор исследования Женан Бао.

Настоящая кожа имеет миллион рецепторов. Благодаря им человек способен ощущать вес бабочки, жар костра или холод от открытой двери холодильника. Электрический импульс от кожных рецепторов передается по нервным волокнам в мозг, где происходит анализ полученных сигналов.

После чего, мозг передает информацию обратно, что позволяет предпринять соответствующие действия. Одернуть руку, если больно, согреться, если холодно, включить кондиционер, если жарко. Весь процесс занимает доли секунды.

• Читайте также:
• К мозгу обезьяны подключили роборуку
• Украинский стартап представил бионический протез руки с интуитивным контролем
• Смотри и учись: робот овладевает новыми навыками за секунды

«Концепция нашей искусственной кожи призвана имитировать сенсомоторную петлю человеческого тела. Это означает, что кожа не только чувствует внешние раздражители, но и помогает генерировать движения тела в соответствии с ними», – рассказал «Деталям» другой соавтор исследования Вайчен Ван.

Стэнфордская электронная кожа состоит из множества слоев материалов, что делает ее похожей на настоящую. В каждый встроены сети органических наноструктур, которые передают электрические сигналы даже при растяжении. Сети действуют как датчики измерения давления, температуры, напряжения и химических веществ. Они и превращают эту сенсорную информацию в электрический импульс.

Каждый электронный слой имеет толщину всего от нескольких десятков до сотен нанометров. А готовый монолитный материал, который состоит из примерно шести таких электронных слоев, имеет толщину менее микрона.

«На самом деле он слишком тонкий, поэтому мы используем подложку для его поддержки, что делает нашу электронную кожу толщиной около 25-50 микрон — примерно как лист бумаги, — рассказала Бао. — Он находится в том же диапазоне толщины, что и внешний слой кожи человека».

Для работы электронной коже требует всего от пяти вольт электричества, хотя первые экспериментальные модели Женан Бао и ее коллег начинались с тридцати вольт.

«Одним их основных вызовов стала необходимость усовершенствовать электронные материалы, подобные кожи, — призналась Бао.- Важно, чтобы их можно было включать в интегральные схемы с достаточной степенью сложности для генерации нервных импульсов, но с достаточно низким рабочим напряжением для безопасного использования на человеческом теле».

Ученые протестировать электронную кожу на крысах и показали, что она может вызывать возбуждение нейронов в моторной коре головного мозга у грызунов. Именно эта область играет ключевую роль в сознательном управлении движения мышц и передвижении тела. При прикосновении к искусственной коже, нога крысы дергалась.

«Во время эксперимента текущей версии для подключения каждого компонента использовались внешние проводки. В будущем мы планируем беспородную передачу сигнала. Также в наших планах проведение эксперимента на людях. Однако, пока у нас нет конкретного графика», – объяснила Вайчен Ван.

Авторы работы уверены, что новый материал имеет решающее значение для протезов рук и ног нового поколения. Они будут способны не только восстановить функции конечности, например, хватание предметов, но и обеспечат сенсорную обратную связь. А это помогло бы человеку точно управлять искусственной рукой или ногой.

Стэнфордские исследователи уже приступили к усовершенствованию своей технологии. В будущем они планируют использовать беспроводную связь между электронной кожей и электрическим стимулятором, расположенным рядом с нервом. Надеемся, в этот раз вживлять провод в тело человека не понадобиться.

Анастасия Адаховская, «Детали». Фото: Цзяньчэн Лай и Вейчен Ван из Bao Research Group Стэнфордского университета.