讓假肢能感到痛，需要哪些電子元器件？

為什麼假肢需要痛感？

如果想讓假肢感受葡萄的軟度或者手的溫度，這很容易理解。但是，為什麼需要感覺痛？

實際上，疼痛這種感覺是很有用的，它就像一個信號，說，「嘿，小心！」。皮膚中的疼痛感測器能保護我們的身體免受高溫或利具的傷害。同樣，截肢者可以依靠對疼痛的感知、利用疼痛信號來保護假肢免受損壞。

假肢痛感要哪些技術來實現？

哪些技術能夠讓假肢模仿我們皮膚的天然能力，感知並傳遞疼痛感呢？「e-dermis」系統

最近在《科學機器人》上發表的一篇論文中，約翰霍普金斯大學(JHU)的Thakor教授與其研究生Luke Osborn描述了他們正在研發的「e-dermis」系統和初始測試結果。e-dermis可讓假肢感知和傳遞疼痛感，也許在不久的將來，假肢可以跨越機器與人體的界線，為眾多假肢患者帶來更為人性化的感知。

不具備觸覺反饋或知覺的假肢不能分辨物體的粗糙、光滑、尖銳，以及冷熱。為了克服這些缺陷，JHU的研究人員通過模仿疼痛在人體自然皮膚上的作用方式開發出來e-dermis系統。具體來說，e-dermis系統模擬皮膚內稱為傷害感受器的神經細胞處理疼痛的方式，並通過機械感受器將產生的信號傳遞給大腦進行加工（要知道，當人們的傷處感到疼痛時，真正的疼痛感是由大腦產生的）。

真正的皮膚由多層受體組成，那些感測層以不同的方式對壓力作出反應：一些對刺激作出快速反應，另一些反應則稍慢。e-dermis是一種電子皮膚，也有許多層（由壓阻和導電織物製成，當然不是不同類型的細胞），以感知和測量壓力。

來自e-dermis的壓力信息被轉換成類似神經元的脈衝，然後通過微小的電刺激將類神經元信號傳遞給截肢者皮膚中的外周神經，以引起壓力感，即疼痛感。

電子皮膚感測器

電子皮膚能感知到壓力、被割傷時能自愈，且能處理感知的數據。這是未來有一天假肢能夠與神經系統相連並傳送觸覺的關鍵一步。即使這個目標暫時還不能實現，但這種柔軟且附著力好的電子皮膚也可以讓截肢患者及燒傷患者進行更多的日常工作，比如撿起一些小東西，而且這種皮膚很可能幫助患者減輕幻肢痛。

電子皮膚的感測器通過放置在皮膚上的電極連接到佩戴者的假體上，而且與真正的神經傳遞信號的方式相似。根據電子裝置傳遞的不同脈衝模式，電子皮膚能夠傳遞從輕觸到疼痛的一系列感覺。

斯坦福大學鮑哲楠團隊研製了一種觸覺感測器，把導電的碳材料混入。當材料受力時，導電橡膠膜中的電壓就會發生改變。課題組發現，用特定模式的微尺度錐體覆蓋觸覺感測器能夠增加它們的觸覺敏感度——就像我們指紋上螺旋一樣。根據這種設計做出來的感測器與我們手部的皮膚一樣敏感。課題組還將晶體管、電引線和其他組件印在橡膠皮膚上，做成有彈性的電流迴路，把觸覺感測器上的數據傳遞到假肢手部。如下圖所示，在顯微鏡下，觸覺感測器上細小的角錐體清晰可見。這些50μm寬的特色結構增進了敏感度，就像我們隆起的指紋一樣。

電子皮膚材料

有人說石墨烯是一種萬能材料，這個說法雖然誇張，卻也有一些道理，比如格拉斯哥大學（University of Glasgow）的研究團隊研究出的石墨烯電子皮膚就可以讓假肢產生觸覺。這種新型的電子皮膚由單層石墨烯製成，與碳片組成具有延展性和韌性的結合材料，最後再與太陽能電池結合來實現導電和充電。

加入了這一層皮膚的假肢在開啟了皮膚功能之後可以控制抓取物體的力道，即便是易碎的雞蛋也可以穩穩地拿起和放下，但如果沒有這一層皮膚，就立刻失去了應有的按壓反饋，最終導致抓取物品力道難以控制甚至發生意外。

與此同時，斯坦福大學鮑哲楠團隊正在研發一些更奇妙的材料。其中的一種高分子材料模擬了人體皮膚兩個最重要的特徵：伸縮和自愈，比人的皮膚更有彈性，能被拉伸到自身長度的100倍而不受損壞。這種材料被割傷時可以自動癒合，並不需要加熱或其它觸發物。它還能作為一種較弱的人造肌肉，在施加電場時延展或收縮。

讓假肢痛成為現實有哪些障礙？

從基礎學科的角度，新材料的設計需要更好的電學功能和力學功能。

從工藝角度上，需要進一步實現更複雜、更大型的集成電路方式。

從應用角度，從實驗室到大規模生產再到商業化應用還有很長的路。

總結：

疼痛當然不會令人愉悅，但對截肢患者來說，適當的疼痛卻是他們長久以來的盼望。理想的假體允許使用者保持完全的控制，並在需要時選擇"關閉疼痛反應"。JHU及其它假肢觸覺項目的研究人員正在尋求更加逼真的電子皮膚材料、感測器，以及假肢觸覺傳輸方式，希望有一天可以達到真實的皮膚體驗。

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