Вчені розробили електронну шкіру, що дозволяє через протез відчувати біль

Дослідники з Університету Джонса Хопкінса (США) розробили «електронну шкіру», що імітує здібності цього шкірного покриву, повідомляє видання IEEE Spectrum. Розробку пропонують використовувати з штучними протезами, завдяки чому можна буде повернути можливість через штучну кінцівку відчувати біль. Чому саме біль? Главі дослідження з розробки електронної шкіри Нитишу Тхакору, професор біоінженерії Університету Джонса Хопкінса постійно ставлять це питання.

вся справа в практичному сенсі. Больові рецептори, що знаходяться в шкірі, допомагають нам захищатися від отримання ушкоджень. Наприклад, від гострого ножа або гарячої сковорідки. В тому ж самому сенсі люди з ампутованою кінцівкою зможуть покладатися на сприйняття болю, яка буде передаватися через штучну шкіру і протез, що дозволить захиститися від пошкодження останнього, каже Тхакор. Також вчений пропонує більш комплексне і в якійсь мірі навіть поетичне пояснення:

«Ми можемо повернути людині втрачене почуття сприйняття: від легкого дотику, до сильного тиску і больових відчуттів. Я думаю, що це зробить штучні протези більш "живими"".

У статті, опублікованій журналом Science Robotics, Тхакор, його аспірант Люк Осборн, а також їх колеги описують розробку і початкові випробування своєї системи «эдермис» (від англ. electronic dermis, e-dermis — електронна шкіра). В одному з останніх тестів команда вчених постаралася додати штучного протеза можливість відчувати біль і передавати її носія.

На створення штучної шкіри дослідників надихнула особливість роботи біологічних рецепторів дотику, що знаходяться в нашому шкірному покриві. Шкіра містить одразу кілька шарів з рецепторів. Створена «эдермис» теж складається з безлічі шарів. Правда виробляються вони з пьезорезистивных та провідних тканин, а не різних живих клітин, як у випадку з справжньою шкірою. Як і в цієї верстви штучної шкіри можуть реагувати на різні рівні тиску: при сильної стимуляції «эдермис» швидше і сильніше передає відчуття, а при менш інтенсивній – більш повільно і слабкіше.

Отримується інформація від «електронної шкіри» переводиться в імпульси, схожі не ті, що використовуються цими нейронами для взаємодії між собою. Потім за допомогою невеликих електричних стимуляцій ці нейроноподобные імпульси передаються периферичних нервів у шкірі ампутованої кінцівки, викликаючи відчуття тиску і болю.

Для перевірки системи вчені запросили групу добровольців. Серед них виявився 29-річний чоловік з ампутованою вище ліктьового суглоба лівою рукою. Протягом двох місяців Люк Осборн становив карту периферичних нервів ампутованої кінцівки. Завдяки використанню слабких електричних стимуляцій аспірант зміг визначити, як периферичні нерви пов'язані з фантомними болями, які відчував запрошений доброволець. В рамках дослідження Осборн виявив, що передача певного обсягу струму на певній частоті не тільки повертало людині почуття дотику втраченої кінцівки, але і викликало фантомні больові відчуття. За словами Тхакора, біль була не сильною, доброволець оцінював її на 3 бали за 10-бальною шкалою.

Схема системи «эдермис»

Після проведення необхідної калібрування вчені зібрали систему цілком: «эдермис» помістили на пальці штучного протеза, модель нейроноподобных імпульсів завантажили в контролер протеза, а електричний стимулятор приєднали до культі ампутованої руки. Подальші тести показали, що людина здатна не лише сприймати об'єкт, з яким він проводить маніпуляції з допомогою штучного протеза, що викликає у нього почуття фантомної кінцівки, але також розрізняти є об'єкт, наприклад, круглим або гострим. У доповненні до цього протез був запрограмований на больові «відчуття», щоб автоматично відпускати гострий об'єкт при визначенні цього почуття.

В даному дослідженні вченим вдалося ефективно передати сенсорну інформацію до нервової системи людини за допомогою електричної стимуляції шкіри ампутованої руки, однак передача нейронних імпульсів може здійснюватися і за допомогою інших технологій. Великі надії показують технології імплантації спеціальних мозкових електродів, м'язової реиннервации (відновлення постачання тканин нервами, що забезпечує їх зв'язок з центральною нервовою системою), а також розвиток технологій нейрокомп'ютерних інтерфейсів.

«Одного разу все це ми зможемо імплантувати і інтегрувати безпосередньо в нашу центральну нервову систему, а не просто в шкіру. Але наш підхід доступний вже тут і зараз», — прокоментував Тхакор.

В подальшому він і його лабораторія планують зайнятися дослідженнями інших матеріалів, які могли б стати основою для «електронної шкіри» і дозволити передавати більш широкий спектр різних тактильних відчуттів.

Розроблена вченими технологія також може знайти свій потенціал у сфері робототехніки та технологій доповненої реальності. В подробиці Тхакор вдаватися не став, але цілком очевидно, що тактильні здібності дозволять роботам більш ефективно адаптуватися до роботи з різними об'єктами і справлятися з більш широким спектром завдань. Впровадження технології у виробничі процеси дозволить істотно знизити її вартість і розширить сфери її застосування.