Naukowcy opracowali elektroniczną skórę, która może naśladować ten sam proces, który powoduje poruszanie się palca u nogi, palca u nogi lub kończyny po szturchnięciu lub oparzeniu. Technologia może doprowadzić do opracowania pokrycia protez kończyn, które dawałoby ich użytkownikom poczucie dotyku lub pomogłoby przywrócić czucie osobom, których skóra została uszkodzona.

„E-skóra” została opracowana w laboratorium inżyniera chemika Zhenana Bao na Uniwersytecie Stanforda w Kalifornii. Jej zespół od dawna próbuje stworzyć protezę, która jest miękka i elastyczna, ale może również przekazywać sygnały elektryczne do mózgu, aby użytkownik mógł „odczuć” nacisk, napięcie lub zmiany temperatury.

Najnowsza praca, opublikowana 18 maja br Nauka¹opisuje cienki, elastyczny czujnik, który może przesyłać sygnał do części kory ruchowej w mózgu szczura, który powoduje drganie nogi zwierzęcia, gdy e-skóra jest naciskana lub ściskana.

„Obecna e-skóra naprawdę ma wszystkie cechy, o których marzyliśmy” — mówi Bao. „Mówiliśmy o tym od dawna”

Wrażliwa skóra

W zdrowej, żywej skórze mechaniczne receptory wyczuwają informacje i przekształcają je w impulsy elektryczne, które są przesyłane przez układ nerwowy do mózgu. Aby to powtórzyć, skóra elektroniczna potrzebuje czujników i układów scalonych, które zwykle są wykonane ze sztywnych półprzewodników. Elastyczne systemy elektroniczne są już dostępne, ale zwykle działają tylko przy wysokich napięciach, które byłyby niebezpieczne dla urządzeń noszonych na ciele.

Aby stworzyć w pełni miękką e-skórę, zespół Bao opracował elastyczny polimer do stosowania jako dielektryk – cienka warstwa w urządzeniu półprzewodnikowym, która określa siłę sygnału i napięcie potrzebne do uruchomienia urządzenia. Naukowcy wykorzystali następnie dielektryk do stworzenia rozciągliwych, elastycznych układów tranzystorów, połączonych w czujnik, który był cienki i miękki jak skóra.

„Zamieniliśmy wszystkie sztywne materiały na miękkie, zachowując przy tym wysoką wydajność elektryczną” — mówi Bao.

Czujnik może przekształcić zmiany fizyczne, takie jak zastosowane ciśnienie lub zmiana temperatury, w impuls elektryczny. Zespół stworzył również urządzenie, które może przesyłać sygnały elektryczne z nerwów do mięśni, naśladując połączenia w układzie nerwowym zwane synapsami.

Grupa Bao przetestowała system na szczurze. Skórę połączono drutem z korą somatosensoryczną szczura — częścią mózgu odpowiedzialną za przetwarzanie wrażeń fizycznych. Kiedy skóra elektroniczna została uruchomiona przez dotyk, wysyłała sygnał elektryczny do mózgu, który był następnie przesyłany przez sztuczną synapsę do nerwu kulszowego w nodze zwierzęcia, powodując drganie kończyny.

Przyszły rozwój

Ten rodzaj e-skóry mógłby być stosowany u osób, które doznały poważnych urazów lub mają zaburzenia czucia. Bao mówi, że w dłuższej perspektywie mają nadzieję na opracowanie mniej inwazyjnego systemu. „Wyobrażamy sobie, że ludziom, którzy stracili kończyny, nie musimy wszczepiać implantu do mózgu” – mówi. „Moglibyśmy mieć implant w obwodowym układzie nerwowym”.

Obecnie e-skóra nadal musi być podłączona do zewnętrznego źródła zasilania, ale Bao ma nadzieję ostatecznie opracować urządzenie bezprzewodowe. Jednak posiadanie skóry, która pokrywa wszystkie palce dłoni i reaguje na dotyk, temperaturę i nacisk, będzie wymagało znacznie więcej prac rozwojowych, mówi.

Mimo to posiadanie systemu zamkniętej pętli przechodzącego od czucia do ruchu mięśni jest „bardzo ekscytujące”, mówi Alejandro Carnicer-Lombarte, który bada bioelektronikę na Uniwersytecie Cambridge w Wielkiej Brytanii. Urządzenie wykonane przez zespół Bao jest „w dużym stopniu dowodem słuszności koncepcji”, mówi, ale w dziedzinie sztucznej protetyki wiele grup pracuje nad poszczególnymi komponentami — więc połączenie ich wszystkich w jeden system, tak jak zrobił to zespół Bao, jest ważny krok naprzód. „Łączenie tych rzeczy w kolejności nie jest trywialne, jestem pod wrażeniem” — mówi.

Carnicer-Lombarte widzi również potencjał integracji innych znanych technologii z systemem, aby stworzyć na przykład skórę, która umożliwia kciukowi i małemu palcowi wyczuwanie różnych rzeczy. Dodaje, że osiągnięcie większej czułości, umożliwiającej ukierunkowanie na określone obszary mózgu, zwiększy użyteczność tej technologii w przyszłości.