Протез с “искусственной кожей” сможет имитировать ощущение прикосновения

Последние разработки в области сенсорных технологий сделали возможным создание “искусственной кожи”, способной с точностью воспроизводить ощущения при прикосновении. В опубликованной журнал Science рассказал о команде инженеров из Стэнфордского университета, сумевших создать и опробовать на мышиных тканях эластичную микросхему, реагирующую на давление и передающую информацию прямо в ткани мозга. Продолжение работы в данном направлении может сделать реальностью конечности-протезы, лучше реагирующие на окружающую среду и лучше взаимодействующие с ней.

Для носителя протеза способность чувствовать прикосновение как раз и является той самой разницей между простым взаимодействием с миром и ощущением этого взаимодействия. Уже несколько лет ученые не оставляют попыток дать миру протез, имитирующий хотя бы некоторые свойства человеческой кожи. Одна из наиболее многообещающих разработок - эластичные микросхемы и сенсоры, способные улавливать растяжение, тепло, давление и прочие ощущения, воспринимаемые людьми как должное. Однако главная проблема заключается не в том, как научить протез распознавать ощущения, а в том, как донести их до мозга.

Соавтор исследования Алекс Кортос рассказал о том, что процесс усвоения искусственной кожей поступающей информации заключается в необходимости собирать аналоговые сигналы, а затем с помощью компьютера или микроконтроллера конвертировать их в нечто понятное человеческому организму. Однако такой вид коммуникации создает лишний “шум” в получаемой мозгом информации, что приводит к увеличению энергозатрат на ее обработку. Чтобы обойти эту проблему, инженеры Стэнфордского университета надеются найти способ изменить принцип работы сенсоров.

Их технология состоит из печатных схем, объединенных с углеродными нанотрубками, обладающими способностью проводить тем больше электричества, чем сильнее они подвергнуты сжатию. Это создает множество дискретных электрических импульсов, которые Кортос назвал “напоминающими азбуку Морзе”, пригодных для обработки мозгом. Он объяснил, что по такому же принципу действует и наша с вами кожа. Что касается искусственной кожи, она состоит из пластика со вставленными в него датчиками давления, умещающиеся на кончике пальца; на роботизированной руке они будут выглядеть лишь как микроскопические черные точки.

Соединенный с живым телом протез сможет передавать информацию с помощью прямых электрических импульсов. Это свойство робо-руки было проверено специальной системой под названием оптогенетика; с ее помощью можно генетически модифицировать клетки так, что они станут реагировать на свет. Сенсор подвесили к светодиодной лампе, загорающейся от полученных импульсов, что свидетельствовало о получении мышиными нейронами сигнала. Конечно, эксперимент не дает понять, что именно “чувствует” кожа в этот момент, но он подтверждает факт того, что сенсоры могут взаимодействовать с настоящими клетками мозга, хоть и находящимися в пробирке, а не в черепной коробке.

И в этом исследователи видят будущее своей технологии. “Получив способ передачи информации, идентичный человеческому организму, эти устройства стали намного лучше совместимы с ним”,- считает Кортос, упомянув, однако, что сейчас еще сложно сказать, продолжится ли развитие протезов именно в этом направлении. “Эта технология, как и любая другая, обладает сильными и слабыми сторонами”,- объяснил ученый. Каждый такой сенсор сам по себе является довольно сложным устройством, так как обрабатывает информацию в отдельности от других. И поиск способа подсоединить каждый из них к человеческому организму - задача, которую еще только предстоит решить. “Одна из основных наших проблем на сегодня - это придумать, как подсоединить каждый сенсор напрямую к нервам”.

На данный момент следующая стадия развития технологии - сделать печатные сенсоры или, как их еще называют, “пиксели”, еще меньше, что позволит уместить большее их количество на меньшем участке протеза (как на компьютерном мониторе). Это сделает протез не только более чувствительным, но и поможет сэкономить место для сенсоров, имитирующих другие свойства человеческой кожи. “С технологией, способной взаимодействовать с организмом, нам нужно больше места, чтобы поместить в протез множество других датчиков: например, температуры и растяжения”,- рассказал Кортос.

После проведения первых опытов исследователи хотят протестировать систему на животных, а не просто на корковых клетках в лаборатории. В конце концов, их цель - создать технологию, которую можно будет задействовать не только в протезах, но и в переносных устройствах и даже гибких дисплеях (коммерческий вариант эластичных сенсоров, возможно, увидит свет уже через 3-5 лет).