Ученые разработали электронную кожу, позволяющую чувствовать боль
Исследователи из Университета Джонса Хопкинса (США) разработали "электронную кожу", имитирующую способности настоящего кожного покрова. Разработку предлагают использовать с искусственными протезами, благодаря чему можно будет вернуть возможность через искусственную конечность ощущать боль. Почему именно боль? Главе исследования по разработке электронной кожи Нитишу Тхакору, профессору биоинженерии Университета Джонса Хопкинса постоянно задают этот вопрос.
Все дело в практическом смысле. Болевые рецепторы, находящиеся в коже, помогают нам защищаться от получения повреждений. Например, от острого ножа или горячей сковородки. В том же самом смысле люди с ампутированной конечностью смогут полагаться на восприятие боли, которая будет передаваться через искусственную кожу и протез, что позволит защититься от повреждения последнего, говорит Тхакор. Также ученый предлагает более комплексное и в какой-то степени даже поэтическое объяснение:
"Мы можем вернуть человеку утраченное чувство восприятия: от легкого прикосновения, до сильного давления и болевых ощущений. Я думаю, что это сделает искусственные протезы более ‘живыми’".
В статье, опубликованной журналом Science Robotics, Тхакор, его аспирант Люк Осборн, а также их коллеги описывают разработку и первоначальные испытания своей системы "эдермис" (от англ. electronic dermis, e-dermis - электронная кожа). В одном из последних тестов команда ученых постаралась добавить искусственному протезу возможность осязать боль и передавать ее носителю.
Для проверки системы ученые пригласили группу добровольцев. Среди них оказался 29-летний мужчина с ампутированной выше локтевого сустава левой рукой. В течение двух месяцев Люк Осборн составлял карту периферических нервов ампутированной конечности. Благодаря использованию слабых электрических стимуляций аспирант смог определить, как периферические нервы связаны с фантомными болями, которые испытывал приглашенный доброволец. В рамках исследования Осборн обнаружил, что передача определенного объема тока на определенной частоте не только возвращало человеку чувство осязания утраченной конечности, но и вызывало фантомные болевые ощущения. По словам Тхакора, боль была не сильной, доброволец оценивал ее на 3 балла по 10-бальной шкале.
После проведения необходимой калибровки ученые собрали систему целиком: "эдермис" поместили на пальцы искусственного протеза, модель нейроноподобных импульсов загрузили в контроллер протеза, а электрический стимулятор присоединили к культе ампутированной руки. Последующие тесты показали, что человек способен не только осязать объект, с которым он проводит манипуляции с помощью искусственного протеза, вызывающего у него чувство фантомной конечности, но также различать является ли объект, например, круглым или острым. В дополнении к этому протез был запрограммирован на болевые "ощущения", чтобы автоматически отпускать острый объект при определении этого чувства.
В данном исследовании ученым удалось эффективно передать сенсорную информацию к нервной системе человека с помощью электрической стимуляции кожи ампутированной руки, однако передача нейронных импульсов может осуществляться и с помощью других технологий. Большие надежды показывают технологии имплантации специальных мозговых электродов, мышечной реиннервации (восстановления снабжение тканей нервами, что обеспечивает их связь с центральной нервной системой), а также развитие технологий нейрокомпьютерных интерфейсов.
"Однажды все это мы сможем имплантировать и интегрировать непосредственно в нашу центральную нервную систему, а не просто в кожу. Но наш подход доступен уже здесь и сейчас", - прокомментировал Тхакор.
В дальнейшем он и его лаборатория планируют заняться исследованиями других материалов, которые могли бы стать основой для "электронной кожи" и позволить передавать более широкий спектр различных тактильных ощущений.
Разработанная учеными технология также может найти свой потенциал в робототехнике и сфере технологий дополненной реальности. В подробности Тхакор вдаваться не стал, но вполне очевидно, что тактильные способности позволят роботам более эффективно адаптироваться к работе с различными объектами и справляться с более широким спектром задач. Внедрение же технологии в производственные процессы позволит существенно снизить ее стоимость и расширит сферы ее применения.
На создание искусственной кожи исследователей вдохновила особенность работы биологических рецепторов прикосновения, находящихся в нашем кожном покрове. Кожа содержит сразу несколько слоев из рецепторов. Созданная "эдермис" тоже состоит из множества слоев. Правда производятся они из пьезорезистивных и проводящих тканей, а не различных живых клеток, как в случае с настоящей кожей. Как и в настоящей слои искусственной кожи могут реагировать на различные уровни давления: при сильной стимуляции "эдермис" быстрее и сильнее передает ощущения, а при менее интенсивной - более медленно и слабее.
Получаемая информация от "электронной кожи" переводится в импульсы, похожие не те, что используются настоящими нейронами для взаимодействия между собой. Затем посредством небольших электрических стимуляций эти нейроноподобные импульсы передаются периферическим нервам в коже ампутированной конечности, вызывая чувство давления и боли.
