新型電子皮膚如何感應疼痛？如何助力智能假肢和皮膚移植？

　　皮膚是我們最大的器官，由複雜的感官組成，不斷監測任何可能引起我們疼痛的東西。如今，研究人員通過新技術複製了這一功能——電子人造皮膚。

　　電子人造皮膚對疼痛刺激的反應就像真實的皮膚一樣，並為更好的假肢、更智能的機器人技術和皮膚移植的非侵入性替代方法鋪平了道路。

　　由該電子人造皮膚組成的原型設備模仿人體近乎即時的反饋反應，並能以神經信號傳到大腦的相同光速對疼痛感做出反應。它由矽橡膠製成，併集成了電子元件，在質地和對壓力、溫度和疼痛的反應上都模仿了人類皮膚。

　　人類的皮膚會不斷地感知事物，但我們的疼痛反應只有在某個閾值時才會啟動。一旦突破這個閾值，電信號就會通過神經系統發送到大腦，啟動疼痛反應。

　　當你拿起一個溫度舒適的東西時，你不會注意到。但如果觸摸到太熱的東西，你幾乎會立刻反胃。這就是我們皮膚的痛覺系統在發揮作用。

　　「智能假肢 」的關鍵

　　新型疼痛感應電子皮膚是朝著開發具有複雜反饋系統的 「智能假肢 」邁出的關鍵一步。研究人員希望開發出能顯示出與人體類似的疼痛感應反應的醫療設備和部件。

　　假肢能顯著提高截肢者的生活質量，但仍缺乏感知危險的能力。一隻假手放在熱的表面上時無法感知，而擁有假臂的人可能會靠在一些尖銳的東西上，但不會意識到所造成的傷害。

　　提供逼真皮膚反應的技術可以使假肢更像自然肢體。

　　用於皮膚移植

　　隨著進一步的發展，電子皮膚也有可能在傳統方法不可行的情況下用於皮膚移植。

　　研究人員在可拉伸電子器件、溫敏材料和仿腦電子器件方面的突破基礎上，創造了電子皮膚。

　　例如，利用工藝集成了對溫度敏感的氧化釩，這種材料可以在超過特定閾值（在本例中為65℃）的溫度下改變其電子行為。

　　這種材料就會觸發類似於我們觸摸熱物時神經末梢產生的電信號。來自系統傳感部分（對溫度或壓力敏感）的電信號進入大腦模擬電路，該電路處理輸入並根據閾值做出決定。

　　大腦模擬電路的電輸出就像人類疼痛反應中啟動運動反應的神經信號（比如把手移開）。

　　在實驗中，研究人員測量了產生的電流。如果要真正使用矽膠皮膚，這就需要連接到神經末梢或可以啟動運動反應的儀器上。

　　材料的反應速度和真實的人類疼痛反應一樣快，模仿了從刺激到大腦的反應觸發的整個過程--或者在我們的案例中，大腦模仿電路。根據刺激的強度和時間，反應會更強烈--就像真實的人類疼痛反應一樣。

　　電子皮膚將基於閾值的疼痛反應帶到了現實中，無論是在皮膚反應的方式不同的疼痛超過一定的閾值，以及如何需要更長的時間為皮膚 「恢復 」從更痛苦的東西。這是因為較強的刺激會在大腦模擬電路上產生更多的電壓。

　　當然我們也可以在我們的設備中修改這個閾值，以模仿受傷的皮膚（如曬傷的皮膚）的疼痛閾值比正常皮膚低的方式。電子皮膚也可以用來提高靈敏度，這在運動和防禦以及皮膚移植方面可能特別有用。

　　未來更多的應用

　　另一個獨特的應用可能是智能手套，可以在觸診組織時提供外科醫生手部的精確反饋。

　　我們的有機矽皮膚需要進一步開發，才能將該技術整合到生物醫學應用中。但基本要素--生物相容性和類似皮膚的延展性--已經具備。

　　接下來的步驟是與醫學研究人員合作，使其更加 「像皮膚一樣」，並找出如何將其與人體最好的結合。

作者：Madhu Bhaskaran,RMIT大學電子與通信工程教授。

來源： The Conversatio

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