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新希望!美国大学研发人工皮肤 按压电信号以短脉冲形式传输到大脑

2020-11-22 16:44 前瞻网   

斯坦福大学的工程师们创造了一种塑料“皮肤”,可以检测其被按压的程度,并产生电信号,将这种感觉输入直接传递到活的脑细胞。

新希望!美国大学研发人工皮肤 按压电信号以短脉冲形式传输到大脑

据报道,斯坦福大学化学工程学教授鲍振安(Zhenan Bao)花费了十年的时间来尝试开发一种材料,该材料模仿皮肤的弯曲和愈合能力,同时还可以用作向大脑发送触摸、温度和疼痛信号的传感器网络。最终,她希望创建一种嵌入传感器的柔性电子织物,该传感器可以覆盖假肢并复制某些皮肤的感觉功能。

其工作成果近日发表在《科学》杂志(Science)上。

“这是一种柔软的,类似皮肤的材料,第一次能够检测压力并将信号传输到神经系统的一部分。”Zhenan Bao表示。

数字化触觉

该技术的核心是两层塑料结构:顶层创建传感机制,底层充当电路来传输电信号并将其转换为与神经细胞相容的生化刺激。

新的“人工皮肤”成品,顶层采用了一种传感器,可以检测与人类皮肤相同范围的压力,从轻敲手指到牢固的握手。

5年前,Bao的团队成员首先通过测量其分子结构的自然弹性来描述如何将塑料和橡胶用作压力传感器。然后,他们通过在薄塑料中压入华夫饼图案来增加这种自然压力敏感性,从而进一步压缩塑料的分子弹簧。

为了以电子方式利用这种压力感应功能,研究小组将数十亿个碳纳米管散布在松散的塑料中。在塑料上施加压力会使纳米管彼此靠近,并使它们导电。

这使塑料传感器能够模仿人体皮肤,从而将人体的压力信息以短脉冲形式传输到大脑,类似于摩尔斯电码。

华夫纳米管上越来越大的压力将它们挤压得更近,使更多的电流流过传感器,这些变化的脉冲作为短脉冲发送到传感组织。释放压力,脉冲流会放松,这表明有轻触。除去所有压力,脉冲则完全停止。

然后,研究小组将这种压力感应机制连接到了他们的人造皮肤的第二层,这是一种柔性电子电路,可以将电脉冲传送到神经细胞。

导入信号

Bao的团队一直在开发可弯曲而不会断裂的柔性电子产品。对于该项目,团队成员与来自施乐公司PARC的研究人员合作,该公司拥有一项使用喷墨打印机将柔性电路沉积到塑料上的技术。覆盖大的表面对于使人造皮肤实用非常重要,与PARC的合作使之成为了可能。

最后,研究小组必须证明电子信号可以被生物神经元识别。为此,研究人员采用了斯坦福大学生物工程学副教授卡尔·戴瑟罗罗斯(Karl Deisseroth)研发的技术,该技术开创了将遗传学和光学相结合的领域,即光遗传学。

研究人员通过生物工程细胞使它们对特定频率的光敏感,然后使用光脉冲来打开或关闭细胞或细胞内部正在进行的过程。

对于该实验,团队成员设计了一系列神经元来模拟人类神经系统的一部分。他们将来自人造皮肤的电子压力信号转换为光脉冲,从而激活神经元,证明人造皮肤可以产生与神经细胞相容的感觉输出。

光遗传学仅被用作概念的实验证明,其他刺激神经的方法也有可能在真正的假体装置中使用。Bao的研究小组已经与斯坦福大学化学副教授Bianxiao Cui合作,表明用电脉冲直接刺激神经元是可能的。

Bao的团队设想开发不同的传感器来复制。例如,区分灯芯绒和丝绸的功能,或者从一杯热咖啡中分辨出一杯冷水。这需要时间。人类手中有六种类型的生物传感机制,《科学》杂志中描述的实验仅报告了其中一种成功结果。

翻译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 3976DBC

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