義肢可以加入皮膚的觸覺回饋嗎?

先進的義手設計。Credit: alexpb CC BY-SA 2.0

義肢的發展已經非常先進,已經有了可以用意念和肌肉活動來控制的義肢。解決了義肢的運動問題,感覺問題到現在仍一直是科學家努力的目標。如果義肢的皮膚,也可以感受環境的差異,然後傳遞訊息給使用者的神經系統,”仿真”義肢就很更接近完美了。

為了要讓義肢的皮膚像真實的生物體,科學家設計了可以感受觸覺的人工皮膚。美國史丹佛大學的工程師,就發展了一種比人體的皮膚還要敏感1000倍的人工皮膚。還有什麼可以更加精進的?韓國的研究員,開發了一種人工皮膚,不但可以感受壓力、溫度、溼度,這皮膚還可以伸展,甚至有內建溫度裝置,可以控制到和人的體溫相近,感覺起來就像是活體。目前這項研發的仿真皮膚,功能已經確立,未來希望可以讓截肢患者使用讓他們拾回失去的皮膚感覺。

透明矽膠材料的仿真皮膚,含有觸覺功能。

透明矽膠材料的仿真皮膚。Credit: Kim et al./Nature Communications

雙手每天要做很多事,遇到很多狀況,都要拿出手來。例如說: 要握手、鍵盤打字、打球、拿杯子喝水,可能是熱水也可能是冷水或者洗手等。這些很簡單的動作,除了動作,也都包含有很複雜的感覺交互作用,才能精準完成每一件事項。

仿真皮膚含有觸覺功能,包含溼度的感覺。

仿真皮膚的溼度測試。Credit: Kim et al./Nature Communications

這個智慧人工皮膚,材料是柔軟且透明的矽膠材料,稱作聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)。裡面內建「矽奈米帶(nanoribbon)」,當這個人工皮膚遭受擠壓或伸展,會產生電流,提供觸覺的反饋。也可以感受溫度,知道物體的冷熱。另外,也有溼度感受,而這個溼度感受器是由電容製作。當包圍在溼度感受器附近的聚合物吸收了水份,含水成份會改變這個材料儲電的能力。這時候,溼度感受器會量測到儲存的電子改變,而用這個變化來定義環境的溼度。

怎麼樣驗證這個溼度感受器的功能呢?首先,先驗證這個人工皮膚溼度的感受器量測能力。方法是把人工皮膚量測到的溼度數値和專業的溼度計量測出來的數值做比較,結果相當吻合。接下來的實境測試,用裝上人工皮膚的義肢,去接觸各種不同的尿布,其結果顯示人工皮膚可以清楚的分辨尿布的乾溼度。

而對於人工皮膚的溫度控制,內設有溫度控制器,維持在接近人體攝氏36.67度的溫度。除此之外,這個溫度要能和外界物體有正常的溫度傳遞。所以研究員以人工皮膚的義手去接觸塑膠娃娃,然後量測這個義手上有多少熱傳達到塑膠娃娃身上。實驗結果也顯示在正常範圍內。

對於手部一些沒有太多皮膚可以擠壓和伸展的位置,例如像是指尖,敏感度特別強,所以研究員在設計「奈米帶」的擺放上時就特別緊致,以增加感測能力。而像是手腕的部位,較其它位置需要高柔軟度,「奈米帶」擺放的位置就比較寬鬆,讓該部位有多一點的空間伸展。

目前,研究員正在研發讓這個智慧人工皮膚的感測結果可以連結到人的大腦,做正常的感覺回饋。仿真義手開發越來越精緻,當動作和感覺都完善開發之後,這種義手除了幫助截肢患者重回正常生活,是不是也有可能取代人手,讓動作自動化?


文章參考:POPULAR SCIENCE
圖片來源:alexpb CC BY-SA 2.0, Kim et al./Nature Communications(1) (2)

 

 

 

 

 



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。