Команда инженеров из университета Стэнфорда создала материал из пластика, который чувствует давление и передает сигнал прямо в нейроны мозга. Они утверждают, что их работа сделала еще один шаг на пути создания роботизированных протезов конечностей с наличием сенсорной чувствительности.
Инженеры, под руководством профессора Зенана Бао, опубликовали результаты своей работы в журнале « Science».
Профессор Бао уже в течение десяти лет занимается разработкой материала, который может имитировать способность кожи к пластичности и регенерации, а также посылать сигналы в мозг, которые передают температуру, боль и сенсорные ощущения. Основной задачей ученых является создание эластичной ткани с наличием датчиков, которые покрывают протез и дублируют сенсорные ощущения живой кожи .
Технически такая искусственная кожа сформирована двумя слоями пластика. Поверхностный слой работает как чувствительная структура, а подлежащий слой выполняет функцию контура, генерируя электрические сигналы и передавая их импульсно в нервные клетки.
В своей новой работе, инженеры встроили в верхний слой датчики, которые распознают давление так же, как и кожа руки человека, которая может различить как небольшое давление при касании одним пальцем, так и ощущения от твердого рукопожатия.
Кожа человека содержит рецепторы, которые посылают цифровые сигналы для "тактильного зондирования", в котором различные показатели давления преобразуется в последовательность импульсов напряжения.
"Это первый случай, когда материал гибкий, как кожа, был способен воспринимать давление, а также передавать сигнал в структуры нервной системы, « говорит профессор Бao.
Сенсорная информация передается аналогично "азбука Морзе"
5 лет назад, команда впервые представила возможность использования пластмассы и резины в качестве барометрических датчиков давления, за счет замеров показателей гибкости молекулярных структур этих материалов. Им удалось повысить эту чувствительность к давлению за счет того, что в пластик был встроен вафельный шаблон, а далее проводится конденсация молекулярных пружин пластика .
Для воплощения способности воспринимать давление в электронном виде, исследователи ввели миллиарды углеродных нанотрубок в структуру пластика. Ученые объяснили , что сжатие пластика приводит к сближению нанотрубок , что делает возможным индукцию электрических импульсов .
Таким образом, удалось сделать так, что датчики в пластике были в состоянии имитировать сенсорные возможности кожи человека, и они в состоянии транслировать барометрическую информацию с помощью электрических коротких импульсов - наподобие азбуки Морзе.
Полученные импульсы затем подвергаются сенсорной обработке. После прекращения воздействия давления электроимпульсация исчезает . Профессор Бao и ее команда затем подключили чувствительный слой пластика ко второму слою пластиковой кожи, которая, в свою очередь, может передавать электрические импульсы в нейроны.
Завершающей задачей команды ученых было продемонстрировать, что электрический импульс может быть воспринят живым нейроном. Им это удалось сделать с помощью методики, разработанной Стенфордским профессором биоинженерии – Карлом Дейссеротом, который впервые разработал оптогенетику.
Еще предстоит провести много работ
Для завершения поставленной задачи, исследователи сформировали цепь нейронов, аналогичную периферической части нервной системы человека, трансформируя электрические сигналы давления от пластиковой кожи в световые импульсы. Таким образом, происходила активация нейронов и это доказало, что искусственная кожа может создать сенсорную реакцию, которая способна воздействовать с нейронами.
Хотя в этом эксперименте использовался метод с использованием оптогенетики, исследователи планируют искать также другие методики для использования в производстве реальных протезов. В конечном итоге, планируется создать и другие датчики, которые могли бы дать возможность искусственным конечностям чувствовать разницу ,например, между вельветом и шелком.
"Нам предстоит выполнить еще много работы для того, чтобы из экспериментальных результатов перейти к практическому использованию, « заключает профессор Бао. "Но, посвятив много лет этой работе, я теперь вижу путь, каким образом, можно создать искусственную кожу."
