让假手也有触觉:斯坦福华人女科学家发明义肢新材料

2016-08-06 10:31:14     作者:亚萌      来源:雷锋网

这个显然指向一个更加宏大的目标:有一天它可以与人类神经系统连接在一起,传递触觉感受。

人类的手有17000个触觉感受器,这使得我们能用手把东西捡起来,并与真实的世界发生感觉联系。相比而言,一个截肢患者就算安上了假肢,其灵敏度不仅不如人类原有的器官,而且义肢是根本无法传递“触感”的。

从2010年开始, 斯坦福大学的鲍哲南教授一直致力于改变这样的义肢现状。她发明了一种可以覆盖在义肢表面的电子皮肤,可以感受压力、自我修复,并处理相关感官数据

鲍哲南教授出生并成长于中国南京,在南京大学完成三年本科课程后移民美国,进入伊利诺州立大学芝加哥分校化学系学习。1995年,她在美国芝加哥大学化学系取得博士学位,随后进入著名的贝尔实验室任职。从2004年起,她加入美国斯坦福大学化学工程系,现为该系教授,为美国最优秀的女性化学家之一。

下图中展示了样板。这个木制的假手上每一个指尖都安置了一个由这种电子皮肤制成的触觉传感器,传感器与电引线相连,电引线携带数据传输到手掌上的电子控制中心里。

这是义肢修复术里的一大进步。这个电子皮肤可以让被截肢的和烧伤的患者处理一些日常生活任务,比如捡起来一个小巧物件,也有可能会帮助减轻幻肢疼痛(指患者感到被切断的肢体仍在,且在该处发生疼痛)。

而且,鲍哲南还想更进一步,她希望这个电子皮肤,不仅能模仿人手皮肤,而且要比后者的在某些方面 更加优越,比如除了对压力敏感之外,还得轻便,耐用、有弹性、柔韧以及自我修复,就像真正的皮肤一样

为了达到这个目标,鲍哲南为每一个电子皮肤里的组件研制出新的化学配方,用柔软的有机分子、聚合物和纳米材料来替代原有的坚硬的材料,比如硅。

具体的制造过程,如下图,研究人员在一个具有弹性的橡胶材料上面做一个晶体管。这层橡胶就像是一张具有粘性的贴纸,当它从橡从玻璃上剥离之后,带上了一层半导体碳纳米管,于是形成一个电子开关的有效面积。

研究团队有时将电子材料与橡胶材料混合,有时将电子材料覆盖在橡胶的上面。为了制作出一个触觉传感器,研究人员将具有导电性的碳融合进去,当这层橡胶受到的压力发生变化时,就会有电压的传递。

下图中显示了一个载入了银纳米颗粒导电墨水的空气刷,通过一个模具,可以打印电接触材料和电线。

另外,团队还发现,如果在这些传感器上覆盖一层金字塔状的花纹,将会提高触觉的敏感度。这种花纹很像我们手指尖的突起或凹陷的指纹纹路。这样的一个设计可以让这些传感器变得跟我们的手指一样敏锐。

如下图所示,通过一个显微镜,可以看到一个触觉传感器上面多个金字塔状的花纹,每一个花纹有50千分尺宽,以助于提高敏感度。

现在鲍哲南还在研制一种更加怪异的材料。这种材料比人类皮肤更具有弹性,可以被拉长至原长度的100倍也不会撕裂。同时,经过切割之后也能自我愈合,不需要经过再加热或者其他额外的帮助。

但她发现仅仅发明新材料还不够:从人造皮肤里传出的数据必须得以某种人体可以理解的形式,传输到神经系统里。这个显然指向一个更加宏大的目标:有一天它可以与人类神经系统连接在一起,传递触觉感受

所以,鲍哲南目前正与她的团队一起进行将信号传给神经系统的电路设计。希望有一天,电子皮肤将不仅能帮助肢体残缺的人重获身体的灵敏性,更能让他们感受到来自爱人的触碰。

Via MIT Tech Review

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