В Университете Джонса Хопкинса создали искусственную кожу, которая чувствует боль



    Специалисты американского университета Джона Хопкинса разработали специализированное покрытие для бионических протезов. Это покрытие получило название «электрическая кожа» (e-dermis). Оно как настоящая кожа активно реагирует на внешние факторы. При оказании физического давления на покрытие «кожа» посылает сигнал о болевых ощущениях изначально в локтевой и срединный нерв, а потом — в соматосенсорную кору головного мозга.

    Как уже можно понять, сам протез подключается к остатку конечности, в частности, к нервной системе. Именно благодаря этому протез способен формировать болевые ощущения, на которые человек реагирует. Понятно, что все это задумывалось не для того, чтобы заставить человека чувствовать боль, а с той целью, чтобы носитель протеза мог реагировать на потенциально опасные для искусственной конечности ситуации. Результаты исследования опубликованы в издании Science Robotics.

    В обычной ситуации за формирование и передачу сигнала, который, в конечном итоге, дает человеку почувствовать боль, отвечают так называемые ноцицепторы. Их иногда так и называют — рецепторы боли. Располагаются они в наружном слое кожи. При появлении внешнего фактора (химический, тепловой или механический) рецепто активизируется, генерирует сигнал, который передается в спинной мозг, а затем — в головной. Путешествие сигнала достаточно длинное, он проходит сразу через три типа нервных волокон: Aβ-, Aδ- и C. Первый вид рецепторов отвечает за то, чтобы человек как можно быстрее отреагировал на возникающую опасность. Практически мгновенно проявляется болевой сигнал, который запускает рефлекторную реакцию и человек, например, отдергивает руку от горячей кастрюли.

    Интересно, что рецепторы в состоянии отличить сигнал «опасность» от обычного предупреждения. Если бы этого не было, то организм человека реагировал бы абсолютно одинаково на порез ножом или давление, оказываемое ребром деревянной линейки. Но в первом случае мы резко реагируем, во втором — вообще можем не обращать внимание на внешний раздражитель.

    В целом, боль полезна для человека и животных, поскольку она дает понять, что что-то идет не так и позволяет избежать опасность или, по крайней мере, попытаться это сделать. Понимая это, ученые и разработчики бионических протезов уже давно ищут способ научиться формировать чувство осязания и боли в разных частях искусственных конечностей. Это, в частности, позволяет избежать разрушения протеза в случае чрезмерной нагрузки на него.

    Похоже, что дальше всех в этом направлении продвинулись именно специалисты из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса. Руководителем группы является Люк Осборн. В качестве добровольца для «испытаний болью» выступил 29-летний мужчина, у которого ампутированы обе руки. Ученые использовали остатки нервных окончаний для кожной электромиостимуляции локтевого и срединного нервов. Опыт удался, поскольку специалистам удалось сформировать определенные болевые ощущения в организме добровольца.

    Сам он рассказывает об этом, как о покалываниях в местах, где когда-то были пальцы (напомню, что обе руки ампутированы). Интенсивность ощущения, как оказалось, зависели от таких характеристик импульса, как длина и частота. Наиболее эффективным и болезненным оказался сигнал с частотой от 10 до 20 герц. Для того, чтобы проверить результаты исследования, ученые не только руководствовались словами мужчины, но и проверяли реакцию его организма при помощи электро энцефалографа.



    Что касается покрытия, то оно не однородное, а состоит из нескольких слоев ткани, резины, проводящего слоя и слоя, который реагирует на изменение давления. Это покрытие нанесли не на весь протез, а лишь на «пальцы», указательный и большой. Как оказалось, при давлении определенной силы сигнал достигает порога, который уже воспринимает организм человека (примерно 250 килопаскалей).

    Максимальное давление на единицу площади оказывали острые предметы. При сильном сжатии такого предмета доброволец чувствовал боль, а «кисть», то есть протез, автоматически разжималась. В случае, если «кисть» сжимала предметы с округлыми краями, доброволец не чувствовал боль.



    Пока что искусственная кожа реагирует лишь на механический фактор, но в скором будущем специалисты надеются на создание более совершенных систем, которые смогут ощущать химическое и тепловое воздействие. Насколько можно судить, будущее уже близко.
    • +22
    • 10,4k
    • 8
    Поделиться публикацией
    Комментарии 8
      +2
      Вообще, как я понимаю, у такого покрытия в перспективе даже более широкий круг задач.
      Если коже «больно», то это и важная информация о том, что рука тоже делает кому-то больно.
      То есть, боль в роботизированном протезе скорее как дополненная реальность, что надо убрать откуда-то эту руку. А вот например для полного робота — очень важно схватить что-нибудь не слишком крепко, не повредить кожу человека или не раздавить стакан, и тут информация от сенсоров кожи ему очень пригодится в качестве обратной связи для регулировки силы хвата.
        0

        Да, вы правы. В сфере промышленных роботов остро стоит проблема датчиков давления для манипуляторов: те что есть стоят конских денег. Если эта "кожа" будет достаточно дешевая — это будет почти революция в соотношении точности и стоимости промышленных манипуляторов.

        +1
        При сильном сжатии такого предмета доброволец чувствовал боль, а «кисть», то есть протез, автоматически разжималась.

        Это по команде человека или автоматика протеза? Зашивать такое в автоматику — так себе идея. Бывают ситуации, когда нужно вытерпеть некоторое количество боли, чтобы избежать чего-то худшего.
        Из бытового приходит в голову: несешь кипяток и понимаешь, что схватил стакан неудачно. Вместо того чтобы тут же ронять стакан, обваривая себя и всех кто попадется рядом, лучше потерпеть боль и донести стакан до поверхности.
          +2

          Цена бионического протеза — миллионы долларов.
          Цена ожога второй степени — мазь, бинты и месяц на койке.
          В этой ситуации стакан лучше уронить.

          –8
          image
            0
            Ученые использовали остатки нервных окончаний для кожной электромиостимуляции локтевого и срединного нервов.

            А надолго ли? Насколько я знаю, устойчивых методов обратной связи нет, подобные методы приводят к деградации нервов.
              –4
              image
                –1
                А что тут изобретать? Герметик с металлической/диэлектрической стружкой в зависимости от сжатия имеет разную проводимость. Надо только под герметиком электродов натыкать и снимать данные.

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое