史丹福大學的工程師們創造了一種塑料「皮膚」，可以檢測其被按壓的程度，並產生電信號，將這種感覺輸入直接傳遞到活的腦細胞。
據報導，史丹福大學化學工程學教授鮑振安（Zhenan Bao）花費了十年的時間來嘗試開發一種材料，該材料模仿皮膚的彎曲和癒合能力，同時還可以用作向大腦發送觸摸、溫度和疼痛信號的傳感器網絡。最終，她希望創建一種嵌入傳感器的柔性電子織物，該傳感器可以覆蓋假肢並複製某些皮膚的感覺功能。
其工作成果近日發表在《科學》雜誌（Science）上。
「這是一種柔軟的，類似皮膚的材料，第一次能夠檢測壓力並將信號傳輸到神經系統的一部分。」Zhenan Bao表示。
數位化觸覺
該技術的核心是兩層塑料結構：頂層創建傳感機制，底層充當電路來傳輸電信號並將其轉換為與神經細胞相容的生化刺激。
新的「人工皮膚」成品，頂層採用了一種傳感器，可以檢測與人類皮膚相同範圍的壓力，從輕敲手指到牢固的握手。
5年前，Bao的團隊成員首先通過測量其分子結構的自然彈性來描述如何將塑料和橡膠用作壓力傳感器。然後，他們通過在薄塑料中壓入華夫餅圖案來增加這種自然壓力敏感性，從而進一步壓縮塑料的分子彈簧。
為了以電子方式利用這種壓力感應功能，研究小組將數十億個碳納米管散布在鬆散的塑料中。在塑料上施加壓力會使納米管彼此靠近，並使它們導電。
這使塑料傳感器能夠模仿人體皮膚，從而將人體的壓力信息以短脈衝形式傳輸到大腦，類似於摩爾斯電碼。
華夫納米管上越來越大的壓力將它們擠壓得更近，使更多的電流流過傳感器，這些變化的脈衝作為短脈衝發送到傳感組織。釋放壓力，脈衝流會放鬆，這表明有輕觸。除去所有壓力，脈衝則完全停止。
然後，研究小組將這種壓力感應機制連接到了他們的人造皮膚的第二層，這是一種柔性電子電路，可以將電脈衝傳送到神經細胞。
導入信號
Bao的團隊一直在開發可彎曲而不會斷裂的柔性電子產品。對於該項目，團隊成員與來自施樂公司PARC的研究人員合作，該公司擁有一項使用噴墨印表機將柔性電路沉積到塑料上的技術。覆蓋大的表面對於使人造皮膚實用非常重要，與PARC的合作使之成為了可能。
最後，研究小組必須證明電子信號可以被生物神經元識別。為此，研究人員採用了史丹福大學生物工程學副教授卡爾·戴瑟羅羅斯（Karl Deisseroth）研發的技術，該技術開創了將遺傳學和光學相結合的領域，即光遺傳學。
研究人員通過生物工程細胞使它們對特定頻率的光敏感，然後使用光脈衝來打開或關閉細胞或細胞內部正在進行的過程。
對於該實驗，團隊成員設計了一系列神經元來模擬人類神經系統的一部分。他們將來自人造皮膚的電子壓力信號轉換為光脈衝，從而激活神經元，證明人造皮膚可以產生與神經細胞相容的感覺輸出。
光遺傳學僅被用作概念的實驗證明，其他刺激神經的方法也有可能在真正的假體裝置中使用。Bao的研究小組已經與史丹福大學化學副教授Bianxiao Cui合作，表明用電脈衝直接刺激神經元是可能的。
Bao的團隊設想開發不同的傳感器來複製。例如，區分燈芯絨和絲綢的功能，或者從一杯熱咖啡中分辨出一杯冷水。這需要時間。人類手中有六種類型的生物傳感機制，《科學》雜誌中描述的實驗僅報告了其中一種成功結果。