Protezy kończyn mogą w przyszłości nie tylko zastępować utracone części ciała, ale również pomagać w odzyskaniu zmysłu dotyku. Naukowcy z Washington State University opracowali elektroniczną skórę wyposażoną w czujniki temperatury i ciśnienia. System można dopasować do protez o różnych kształtach, a jego sensory pozwalają rozpoznawać obiekty nawet dziesięć razy dokładniej niż obecnie dostępne komercyjne czujniki stosowane w rękawiczkach.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak elektroniczna skóra opracowana przez naukowców z Washington State University może pomóc osobom po amputacji odzyskać czucie w protezach.
- W jaki sposób czujniki temperatury i ciśnienia pozwalają rozpoznawać teksturę powierzchni oraz właściwości dotykanych materiałów.
- Dlaczego nowe sensory wykrywały obiekty dziesięć razy dokładniej niż obecne komercyjne czujniki stosowane w rękawiczkach.
- Jak metoda „skanuj-modeluj-drukuj” umożliwia dopasowanie e-skóry do protez o różnych kształtach oraz jak naukowcy chcą w przyszłości przekazywać informacje sensoryczne do nerwów.
Elektroniczna skóra ma przywrócić protezom zmysł dotyku
Jednym z największych wyzwań współczesnej protetyki jest odtworzenie nie tylko ruchu kończyny, ale również informacji sensorycznych dostarczanych naturalnie przez skórę. Człowiek podczas chwytania przedmiotu niemal natychmiast otrzymuje informacje dotyczące jego temperatury, faktury czy wywieranego nacisku. Naukowcy z Washington State University (WSU) opracowali konfigurowalny system elektronicznej skóry, który ma naśladować część tych możliwości. Wyniki badań opublikowano w „Cell Reports Physical Science”.
To podejście demokratyzuje produkcję e-skóry o jakości medycznej, umożliwiając szerokie zastosowanie zaawansowanego sprzężenia zwrotnego dotykowego w praktyce klinicznej – powiedział Hongyi Shen, student studiów podyplomowych na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Materiałowej oraz pierwszy autor artykułu. Ta praca stanowi kluczowy fundament dla w pełni bionicznej skóry z funkcjami sensorycznymi i stymulacją haptyczną w protezach.
Czujniki wykrywają temperaturę i ciśnienie
Opracowane przez naukowców moduły mają postać cienkowarstwowych struktur z wbudowanymi czujnikami temperatury i ciśnienia. Mogą działać zarówno na powierzchniach płaskich, jak i zakrzywionych. Dzięki dużej gęstości sensorów system umożliwia dokładne zbieranie informacji o kontakcie protezy z otoczeniem. Według badaczy pozwala to na rozpoznawanie tekstury powierzchni oraz właściwości materiału, a więc dostarcza informacji zbliżonych do tych, które człowiek uzyskuje dzięki naturalnemu zmysłowi dotyku.
W testach nowe czujniki umożliwiały wykrywanie obiektów dziesięć razy dokładniej niż obecne komercyjne sensory stosowane w rękawiczkach.
E-skóra może zostać dopasowana do kształtu protezy
Istotnym problemem dotychczasowych rozwiązań jest możliwość pokrywania nimi większych i nieregularnych powierzchni. Elektroniczne nakładki mogą być kosztowne, oferować stosunkowo niską rozdzielczość sensoryczną i nie zawsze dobrze dopasowywać się do anatomii użytkownika.
Często urządzenia te muszą iść na kompromis między wygodą a niezawodnością mechaniczną – powiedział Shen.
Zespół WSU wykorzystał dlatego metodę produkcji określaną jako „skanuj-modeluj-drukuj”. Najpierw wykonywany jest skan protezy, następnie jej geometria służy do odpowiedniego rozmieszczenia czujników, a finalny system powstaje z wykorzystaniem technologii produkcji 3D.
Skaner zasadniczo skanuje protezę, a następnie, w oparciu o geometrię, mapujemy nasze czujniki jako multimodalny system czujników z tą geometrią – powiedział Kaiyan Qiu, adiunkt w Berry Family School of Mechanical and Materials Engineering i autor korespondencyjny artykułu. Dzięki temu nasz system czujników może bezproblemowo objąć cały obszar protezy o dowolnym kształcie.
Moduły łączą się ze sobą jak klocki Lego
Ciekawym rozwiązaniem jest również sposób łączenia poszczególnych elementów. Zamiast stosowania kleju moduły czujników można łączyć ze sobą podobnie jak klocki Lego. Ułatwia to tworzenie systemu dostosowanego do powierzchni konkretnej protezy. Produkcja opiera się przede wszystkim na druku 3D i cięciu laserowym, dzięki czemu technologia ma potencjał do stosunkowo niedrogiego wytwarzania.
Nasza główna metoda produkcji, wykorzystująca druk 3D i cięcie laserowe, jest stosunkowo prosta, dzięki czemu może być stosunkowo tania i wygodna – powiedział Qiu.
Kolejny krok: przekazanie sygnału do nerwów
Samo wykrycie nacisku czy temperatury przez protezę nie wystarczy, aby użytkownik mógł rzeczywiście je odczuć. Dlatego kolejnym etapem projektu jest stworzenie systemu przekształcającego informacje z e-skóry w sygnały odbierane przez organizm. Naukowcy pracują nad siłownikiem, który ma konwertować dane sensoryczne na stymulację i sygnalizację pobliskich nerwów. Docelowo osoba po amputacji mogłaby dzięki temu otrzymywać informację o tym, czego dotyka protezą.
To właśnie połączenie precyzyjnych sensorów ze stymulacją haptyczną, czyli technologią naśladującą zmysł dotyku, może być kluczowym krokiem w kierunku bardziej funkcjonalnych protez.
Elektroniczna skóra może przybliżyć w pełni bioniczne protezy
Technologia znajduje się nadal na etapie rozwoju, a naukowcy złożyli tymczasowy wniosek patentowy. Konieczne będzie również dalsze opracowanie sposobu przekazywania informacji sensorycznych użytkownikowi.
Jeżeli kolejne etapy badań zakończą się powodzeniem, elektroniczna skóra może w przyszłości pozwolić protezom nie tylko wykonywać ruchy, lecz także rozpoznawać nacisk, temperaturę i właściwości dotykanych przedmiotów. Tym samym technologia może stać się kolejnym krokiem w kierunku protez coraz dokładniej odtwarzających funkcje naturalnych kończyn.
Główne wnioski
- Naukowcy z Washington State University opracowali elektroniczną skórę wyposażoną w czujniki temperatury i ciśnienia, która ma naśladować wybrane funkcje sensoryczne naturalnej skóry.
- W przeprowadzonych testach system pozwalał wykrywać obiekty dziesięć razy dokładniej niż obecne komercyjne czujniki stosowane w rękawiczkach oraz umożliwiał identyfikację tekstury powierzchni i właściwości materiałów.
- Technologia wykorzystuje metodę „skanuj-modeluj-drukuj”, dzięki której rozmieszczenie czujników można dostosować do geometrii konkretnej protezy, również o nieregularnym kształcie.
- Kolejnym etapem prac jest stworzenie rozwiązania, które będzie przekształcało sygnały z e-skóry w stymulację pobliskich nerwów, aby użytkownik protezy mógł w przyszłości odczuwać informacje o dotykanych przedmiotach.
Źródło:
- https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2666386426003644
- Washington State University
