科学:新型传感器重现逼真触觉 柔晶体管电路压力变电传脑

邓文龙

作者：鲍哲南等 来源：《科学》

发布时间：2015/10/20 15:31:13

新型传感器重现逼真触觉
未来有望用于假肢研制



新型人造皮肤可让假肢感知握手轻重。

图片来源：斯坦福大学

假肢可以奇迹般地恢复一些截肢者失去的功能，但它们至今尚无法完成一件事，那就是恢复准确的触觉。如今，研究人员报告说，在不远的将来，这些人造的手臂和腿脚有可能获得接近真实的触觉。利用一种两层的柔韧薄塑料，科学家研制出一种新的电子传感器，能够模拟人体皮肤中触觉传感器的神经信息而向小鼠脑组织传送信号。

长期以来，多个研究团队一直试图为假肢佩戴者恢复触觉。例如，两年前，美国俄亥俄州克利夫兰市凯斯西储大学的研究人员报告说，通过在假手使用者的手臂外围神经中连接压力传感器从而使其获得了触觉。

然而尽管这些成绩已经恢复了基本的触觉，但其传感器和信号与皮肤中的天然触觉传感器——机械性感受器发送的信号仍存在巨大差异。

当人体中的机械性感受器感受到压力后，它们会发送一股神经脉冲；压力越大，脉冲频率越高。而之前的触觉传感器在更大的压力下会产生更强的电信号，而不是高频脉冲流。电信号必须被发送到另一个处理芯片，该处理芯片将信号的强度转换成一个数字脉冲流，然后才被发送到周围神经或脑组织中去。

受到天然机械性感受器的启发，由加利福尼亚州帕洛阿尔托市斯坦福大学化学工程师鲍哲南率领的研究人员，开始着手研制能够直接大量产生数字信号的人造皮肤。

据鲍哲南介绍，这是第一种能够感知压力并与大脑沟通的柔性人造皮肤，距真正像人类皮肤的柔性人造皮肤“更近一步”。

这种人造皮肤像“一页纸那么薄”，可以分为两层，外层是可以感知压力的传感器，由塑料材料加上碳纳米管制成；内层是由喷墨打印机印刷出的柔性电子电路，可以把压力信号改变成电信号并传递给大脑。

借助一种叫光遗传学的技术，研究人员改造了实验鼠的大脑神经细胞，使得人造皮肤能够向这种改造后的细胞传递电信号。

鲍哲南说，压力传感器的一个难点就是感知微小力量，而他们开发的人造皮肤连一粒大麦、一小粒食盐、一只蝴蝶造成的压力都可以感知。其工作原理是压力越大，与电极的接触面积越大，从而导电性能越好，借此可感知压力的变化。研究人员下一步将研制可以感知温度、痛觉等感觉的传感器。

研究人员在15-10月16日出版的《科学》杂志上报告了这一研究成果。

伊利诺伊大学香槟分校从事柔性电子研究的化学家John Rogers表示：“很高兴看到此类研究朝着这个方向发展，这篇论文令人印象深刻。”

然而Rogers和鲍哲南都强调，让截肢者获得类似于真实的触觉依然有很长的路要走。举例来说，医生们不能用人脑组织来接收光信号。这意味着研究人员需要找到其他的方法，在很长一段时间内将来自假肢的电信号以一种稳定而安全的方式传递给大脑。鲍哲南说，她希望使用灵活的有机电子产品来完成这项任务。最终，随着这些不同的研究线索交织在一起，它很可能会给截肢者关于周围环境的一种全新的感觉。（来源：中国科学报 赵熙熙）

http://www.sciencemag.org/content/350/6258/313.short



http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/2015102015311364537676.shtm  L