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人造皮肤让假肢也有“触觉”
2016-08-20 09:24:36   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

据麦姆斯咨询报道,鲍哲楠将能够感知压力,切断后能够自愈并处理感官数据的电子皮肤包裹在假肢上,希望能够借此改变截肢患者现状。对截肢患者而言,某一天他们的假肢能连接到神经系统并传递触感,其意义非同凡响。

人类的手部拥有17000多个接触式传感器,帮助我们感知物理世界,从而可以从地上拾起东西,但假肢或义足则不会有任何感觉。

麦姆斯咨询报道,鲍哲楠将能够感知压力,切断后能够自愈并处理感官数据的电子皮肤包裹在假肢上,希望能够借此改变截肢患者现状。对截肢患者而言,某一天他们的假肢能连接到神经系统并传递触感,其意义非同凡响。在该可能性建立以前,柔软而粗糙的电子皮肤所充当的角色是帮助截肢和烧伤患者做更多的日常工作,如捡起细小物体、缓解患肢疼痛。

美国工程院院士、斯坦福大学教授鲍哲楠

美国工程院院士、斯坦福大学教授鲍哲楠

为了模拟甚至在某种程度上超越人体皮肤所具有的能力,鲍哲楠开始重新思考哪种电子材料最适合。她理想中的电子皮肤不仅仅要对压力保持高度敏感,也需要具有轻便、耐用、有弹性、易弯曲、能自愈等性能,和真实的皮肤一样。同时,能够实现大批量生产并应用于截肢患者,因此这就必须在价格上相对便宜。传统电子材料根本不具备上述特性。

自2010年以来,鲍哲楠(2003年荣登《麻省理工技术评论》杂志35岁以下创新科学家榜单)就致力于电子皮肤的研究。她为电子元件创造新的化学配方,用柔性的有机分子、聚合物和纳米材料替换硅等硬质材料。

一名研究人员将晶体管放在具有弹性的橡胶材料上,就像贴纸一样

一名研究人员将晶体管放在具有弹性的橡胶材料上,就像贴纸一样。当橡胶从载玻片上剥落时,它就会揭开一层半导体碳纳米管,形成电开关的有源区。

滑块表面涂有绝缘材料,帮助关闭弹性晶体管。晶体管内部的小平台可以旋转滑块从而生成光滑的薄膜

滑块表面涂有绝缘材料,帮助关闭弹性晶体管。晶体管内部的小平台可以旋转滑块从而生成光滑的薄膜。

具有弹性的晶体管由碳纳米管、电子聚合物、纳米银油墨制作而成

具有弹性的晶体管由碳纳米管、电子聚合物、纳米银油墨制作而成。它在电路中的作用是处理来自接触式传感器的数据。

鲍哲楠及其团队所开发的具有弹性的橡胶材料在延展性和恢复性方面已经可以媲美人类皮肤。她的团队尝试过将电子材料混合到橡胶材料中去,也尝试过将电子材料构建在橡胶材料之上。为了开发出一款接触式传感器,研究人员在橡胶材料中加入具有导电性的碳材料。当混合材料受到按压时,导电性橡胶层上的电压就会改变。鲍哲楠及其团队发现这些接触式传感器以微型金字塔模式排列,所产生的灵敏度已经接近于人类指尖螺纹。基于这种设计,这些接触式传感器的灵敏度至少可以达到手部皮肤级别。她的团队在橡胶皮肤上印刷晶体管、电线和其它电子元件来形成有触感的线路,帮助假肢获得接触式传感器的数据。

左图:装满纳米银油墨的喷枪,可通过模板印刷电触头和电线;右图:通过一台显微镜,可以看见呈微型金字塔排列的接触式传感器

左图:装满纳米银油墨的喷枪,可通过模板印刷电触头和电线;右图:通过一台显微镜,可以看见呈微型金字塔排列的接触式传感器。50微米宽,灵敏度大大提高,外形与人类指纹。

木制展示手上的每个指尖都装有具有弹性的接触式传感器

木制展示手上的每个指尖都装有具有弹性的接触式传感器,它们通过线路连接,将数据传输到手掌上柔性的电子控制器。

现在,鲍哲楠正在研究一种神奇的材料。她开发的一款聚合物材料,其延展性远超人类皮肤,即使被所能拉伸到原来长度的100倍都不会断裂。如果没有加热及其他干扰因素,这种材料即使经过切割也能自愈。在有电场的情况下,这种可以像人工肌肉一样伸缩。

研究人员将橡胶材料切成两半

研究人员将橡胶材料切成两半

将两片材料放在一起后,不超过1分钟它们就重新结合了

将两片材料放在一起后,不超过1分钟它们就重新结合了

愈合材料所能拉伸的程度远超人类皮肤

愈合材料所能拉伸的程度远超人类皮肤

这款材料模拟了人类皮肤的两大重要特性:(1)延展和褶皱能力;(2)自愈能力

这款材料模拟了人类皮肤的两大重要特性:(1)延展和褶皱能力;(2)自愈能力

对基础材料和设计的研究已经到位,鲍哲楠开始研究半导体及其它拥有相同自愈能力和延展特性的电子材料。但是,对电子材料的推陈出新永远没有尽头,人造皮肤传输到神经系统的数据需要编译成身体可以理解的格式内容,鲍哲楠及其研究团队正在研究可以给神经系统发送信号的电路设计。终有一日,电子皮肤不仅仅可以帮助截肢患者恢复灵巧的四肢功能,还能让他们感受到爱人的温情抚摸。

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