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鐵製的義手。義肢開發日益進步,但皮膚觸覺功能尚待突破。

鐵製的義手。義肢開發已經相當先進,但皮膚觸覺功能尚待突破。Credit: takomabibelot@Flickr CC BY 2.0

義肢欠缺觸感

現在義肢的開發,已經相當發達,從3D列印到機械電子控制,幾乎可媲美人體手部動作的靈活自由度。但這麼多新技術所做的都只是動作上的模擬,在人造皮膚的感覺上,還是無法與天然的人皮相提並論。有科學家為解決患者的幻肢痛,讓患者經過訓練後,能將一些觸覺感知傳遞到大腦。但前述的這些能力和真實皮膚在各種姿態隨時都能有感覺還是天差地別。畢竟皮膚的感覺是內部數以千計的受器(mechnoreceptor),接收外界刺激後,產生電訊號,傳遞到腦部,產生感覺,可說是非常複雜。若能有模擬皮膚這種感受外界的能力,除了在醫學上幫助義肢穿戴者感受知覺,更適當的和外界互動,似乎也很有其他產品開發的潛能。

仿皮膚觸覺材料

之前生醫人網摘介紹過,韓國開發的仿真皮膚,皮膚能感受擠壓伸展,還有溫度冷熱,材料為矽膠材料,內建矽奈米帶,受擠壓會產生電流。這種電流是可傳遞到大腦,讓人感受正確的訊號,當仿真皮膚承受的壓力大,訊號傳遞的頻率就高,壓力小時,傳遞的頻率就低。關於這種受擠壓能產生電流的材料還有許多,最近史丹佛大學的研究團隊,以塑膠和絕緣材,也開發了類似材料(點這裡看圖片),如同皮膚一般,當受壓力,就產生電流。其設計可概略分為上下兩層,上層是類似三明治結構的感測器層,由兩片塑膠材料中間包夾具電流傳導性的「奈米碳管」(carbon nanotubes)構成,當壓力增加,這些奈米碳管便受到擠壓而聚集,就有更多的電流能通過,產生電訊號的頻率即因此增加,如同真實皮膚的狀態;下層為電路(circuit)層,這層電路是由美國全錄公司(Xerox Technology)所持有的PARC公司的技術所列印,這項技術能用噴墨印表機,列印電路到塑膠材料上。

生物神經元接收訊號

這種能因壓力產生電流的材料已經設計完成,下一步就是要驗證這種電訊號能夠被人類的神經元接收。於是研發團隊將電訊號轉為光脈衝,傳遞到經設計過能被光脈衝啟動的神經元上,證實這種模擬皮膚材料的確能啟動神經元的動作。

然而,目前這個材料只能模擬真實皮膚所能使用的六種機械感受器的其中一種,未來除了希望能更精細的分辨不同材料,也希望能夠將其他五種機械感受都發展齊全。這種材料,除了用在義肢的皮膚發展,穿戴式產品、顯示器,還能應用在什麼樣的生醫產品呢?

似乎能將這種東西製成手套,開發實境電玩產品。台灣也有團隊開發過這類材料,不知道各家優點和性能如何,但看來仿皮膚感覺得材料,各國團隊正積極開發中。

文章參考:Stanford University
影片來源:stanfordeng
圖片來源:takomabibelot@Flickr  CC BY 2.0
原文參考:Science


作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。