Вчені Стенфордського університету розробили м’яку та еластичну електронну шкіру, яка може безпосередньо спілкуватися з мозком, імітуючи сенсорний зворотний зв’язок справжньої шкіри, використовуючи стратегію, яка, якщо її вдосконалити, може дати надію мільйонам людей з протезами кінцівок.
«Нас надихнула природна система і ми хотіли імітувати її», — сказав Вейчен Ван, чия команда опублікувала свій успіх у журналі Science. «Можливо, колись ми зможемо допомогти пацієнтам не тільки відновити рухову функцію, а й відновити відчуття», повідомляє techxplore.com.
Потрібна набагато швидша, більша та складніша схема, щоб так звана «електронна шкіра» стала перспективною для людей. Але важливою віхою стало те, що пристрій продемонстрував надзвичайний успіх на лабораторних щурах. Коли дослідники натискали на електронну шкіру щура і посилали електронні імпульси в його мозок, тварина у відповідь смикала ногою.
Вчені давно мріяли створити протези кінцівок, які не тільки відновлять рух, але й забезпечать сприйняття, наприклад, сприйняття тиску, температури та вібрації, щоб допомогти відновити більш нормальну якість життя. Пошкодження шкіри та ампутація призводять до значного порушення циклу сприйняття та руху, тому навіть такі прості завдання, як обмацування або захоплення предмета, є складними.
«Якщо ви берете келих пива й не відчуваєте, що воно не холодне, ви не відчуєте потрібного смаку», — сказав Равіндер Дахія, професор електротехніки та комп’ютерної інженерії Північно-Східного університету в Бостоні, який також вивчення використання гнучкої електроніки для розробки штучної шкіри.
Електронну шкіру також можна використовувати для одягу роботів, щоб вони відчували відчуття, так само як і люди. Це критично важливо для безпеки галузей, де роботи та люди фізично взаємодіють, наприклад, передаючи інструменти на виробництві.
Але відчуття дотику складне. Людська шкіра має мільйони рецепторів, які сприймають, коли в неї тицяють, натискають, стискають чи ошпарюють. Вони реагують, посилаючи електричні імпульси в мозок через нерви. Мозок реагує, посилаючи інформацію назад, повідомляючи м’язам рухатися.
А біологічна шкіра м’яка і може багаторазово розтягуватися протягом багатьох десятиліть.
Стенфордська команда на чолі з професором хімічної інженерії Женаном Бао працювала над дизайном електронної шкіри протягом кількох років. Але в попередній спробі використовувалася жорстка електроніка та 30 вольт живлення, для чого потрібно 10 батарей і небезпечно. І він не міг витримати безперервне розтягування без втрати своїх електричних властивостей.
«Перешкода полягала не стільки в тому, щоб знайти механізми імітації чудових сенсорних здібностей людського дотику, скільки в тому, щоб об’єднати їх разом, використовуючи тільки шкіроподібні матеріали», — сказав Бао в заяві.
Нова електронна шкіра є інноваційною, оскільки використовує мережеві шари розтягуваних органічних транзисторів, які сприймають і передають електричні сигнали. У складеному вигляді шари мають товщину лише від 25 до 50 мікрон — тонкі, як аркуш паперу, схожий на шкіру. Його мережі діють як датчики, створені для визначення тиску, температури, напруги та хімічних речовин. Вони перетворюють цю сенсорну інформацію в електричний імпульс.
А e-skin працює лише від 5 вольт електроенергії.
Щоб перевірити систему, Стенфордська команда імплантувала її живому щуру. Коли торкалися електронної шкіри щура, імпульс передавався по дроту в мозок щура, а саме в область, яка називається соматосенсорною корою, яка відповідає за обробку фізичних відчуттів. Мозок щура відповів, відправивши електричний сигнал до його ноги. Це було зроблено за допомогою пристрою, який підсилює та передає сигнали від мозку до м’язів, імітуючи зв’язки в нервовій системі, які називаються синапсами.
Пацюкова лапка сіпнулася. Важливо, що його рух відповідав різним рівням тиску, сказав Ван, доктор технічних наук. і перший автор нової статті. Наприклад, команда могла збільшити рух ноги, натиснувши на електронну шкіру сильніше, що підвищило частоту сигналу та вихід транзистора.
Якщо тестувати на людях, пристрій не вимагатиме імплантації дроту для надсилання сенсорної інформації в мозок. Натомість команда передбачає використання бездротового зв’язку між електронною шкірою та електростимулятором, розташованим поруч із нервом.