Создана электронная кожа для протезов, которая чувствует давление и тепло
Биоинженеры из Университета штата Вашингтон разработали электронную кожу с системой датчиков, способной различать давление и температуру — в перспективе такая технология поможет людям с ампутированными конечностями снова ощущать прикосновения через протез. Работа опубликована в журнале Cell Reports Physical Science, а чувствительность новых сенсоров в 10 раз выше, чем у коммерческих перчаточных датчиков, доступных сейчас.
Зачем протезу чувство осязания
«Этот подход демократизирует производство электронной кожи медицинского уровня — делает продвинутую тактильную обратную связь пригодной для широкого клинического применения», — говорит Хунъи Шэнь, аспирант Школы машиностроения и материаловедения WSU и первый автор статьи.
Тактильная стимуляция воспроизводит ощущение прикосновения. Даже частичное возвращение чувствительности способно заметно облегчить людям с протезами выполнение повседневных задач.
Электронная кожа существует и сейчас, но она дорогая и обладает низким разрешением датчиков. К тому же такие покрытия плохо садятся по форме конечности и закрывают лишь небольшие участки — и чем точнее кожу подгоняют под конкретную форму, тем хуже, как ни странно, становится ее чувствительность. А из-за огромного объема данных, которые генерируют массивы датчиков, такие системы плохо справляются с обработкой сигнала в реальном времени.
Как подогнать датчики под форму руки
«Часто эти устройства вынуждены жертвовать либо удобством, либо механической надежностью», — отмечает Шэнь.
Команда WSU разработала настраиваемую систему датчиков для протезов, которая повторяет произвольную форму конечности и лучше имитирует чувствительность настоящей человеческой кожи. Сенсорные модули представляют собой тонкослойные «сэндвичи» со встроенными датчиками температуры и давления. Такая конструкция обеспечивает тактильное восприятие, похожее на человеческое, и позволяет надежно распознавать текстуру поверхности и свойства материала.
Для изготовления исследователи применили метод «сканирование-моделирование-печать», который сочетает высокую плотность датчиков с индивидуальной 3D-печатью под конкретного пациента.
«Сканер снимает форму протеза, а затем, опираясь на эту геометрию, мы размещаем наши датчики как многоканальную сенсорную систему прямо под эту форму, — объясняет Кайян Цю, доцент Школы машиностроения и материаловедения WSU, ведущий автор статьи. — Это позволяет нашей системе датчиков без пробелов покрывать всю произвольную поверхность протеза».
Простой и недорогой способ производства
Датчики точны и надежны, способны с высокой плотностью измерять и давление, и температуру на плоской или изогнутой поверхности. Вместо клея сенсорные модули просто защелкиваются друг с другом, как конструктор Lego.
«Наш основной способ производства — 3D-печать и лазерная резка — довольно прост, поэтому технология может получиться сравнительно недорогой и удобной», — говорит Цю.
Исследователи уже подали заявку на предварительный патент через офис инноваций и предпринимательства WSU. Параллельно команда работает над актуатором — устройством, которое в будущем сможет превращать сигналы датчиков электронной кожи в сигналы, понятные близлежащим нервам, чтобы человек с протезом чувствовал, к чему прикасается.
Шэнь, участник программы NRT-LEAD, признается, что давно хотел помогать людям в реабилитации и уже имел опыт работы с датчиками и 3D-печатью.
«В этом проекте я смог объединить свои интересы, — говорит он. — Думаю, то, что мы делаем, однажды сделает жизнь людей с ампутированными конечностями немного проще благодаря нашему устройству».
