Новые датчики помогут наделить протезы осязанием

Протезирование может творить чудеса, когда дело доходит до восстановления утраченных функций у людей с ампутированными конечностями. Однако пока крайне непросто воссоздать утраченное осязание. Исследователи из США сообщили, что они нашли способ в один прекрасный день в не слишком отдалённом будущем подарить искусственным рукам и ногам чувство осязания, напоминающее чувства реальных конечностей.

Используя двухслойный гибкий тонкий пластик, специалисты создали электронные датчики, которые посылали сигналы в мозговую ткань мышей. Причём они имитировали нервные сообщения, генерируемые чувствительными клетками при прикосновении к коже.

Над созданием осязающих протезов несколько групп учёных трудятся уже не первый год. Эти достижения позволили восстановить элементарное осязание, однако электронные датчики и посылаемые ими сигналы не похожи на естественные.

Когда настоящие механорецепторы чувствуют давление, они "выстреливают" потоком нервных импульсов, и чем больше давление, тем выше частота импульсов. Однако предыдущие датчики представляли собой аналоговые устройства, при которых большее давление производит более сильный электрический сигнал, а не учащает поток импульсов.

Электрические сигналы затем направлялись в другую обрабатывающую микросхему, в которой интенсивность сигналов преобразовывалась в цифровой поток импульсов, который только после этого преобразования отправлялся к периферическим нервам или мозговой ткани.

Инженер-химик из Стэнфордского университета Чжэньань Бао (Zhenan Bao) вдохновлялась исследованиями естественных механорецепторов и создала датчики, которые передают большие массивы цифровых сигналов напрямую.

Группа Бао создала первые прототипы датчиков 5 лет назад из крошечных прорезиненных структур, содержащих токопроводящие углеродные нанотрубки и похожих на маленькие пирамидки. С тех пор учёные совершенствуют своё детище.

Когда нет давления, резина (диэлектрик) предотвращает течение тока между электродами из углеродных нанотрубок. Однако под давлением пирамидки деформируются, проводящие нанотрубки смыкаются, и образуется путь для прохождения тока. Когда давление снимается, все конструкции возвращаются к своей первоначальной форме.

Для своей текущей работы Бао и её коллеги создали структуры в виде перевёрнутых пирамид и подогнали их размер таким образом, чтобы те оказались чувствительными к широкому диапазону давлений — от лёгкого прикосновения до крепкого рукопожатия.

Чем сильнее давление, те больше сжимается пирамидка, образуя большую площадь контакта, через которую, соответственно, проходит большее "количество" тока.

Инженеры также изменили положение электродов и добавили ещё один слой гибких электронных устройств – кольцевых осцилляторов (ring oscillator), которые преобразуют электрические силы, возникающие в чувствительных к прикосновению пирамидках, в поток цифровых электрических импульсов. Чем больше давление и больше ток, тем выше частота генерируемых "сообщений".

Затем команда из Стэнфордского университета должна была проверить, что ткани мозга получают посылаемые сигналы. Обычно учёные внедряют твёрдые металлические электроды в соматосенсорную кору животных и наблюдают за их реакцией. Но негнущиеся металлические электроды могут быстро привести к повреждению естественных тканей мозга, что делает невозможным изучение передачи сигналов в течение длительных периодов.

Команда Бао попробовала посылать электронные импульсы, поступающие от сенсорных датчиков, на светоизлучающий диод, который преобразует их в поток импульсов синего цвета. Далее нужно было "научить" клетки нервной ткани воспринимать этот свет.

Для этого команда Бао воспользовалась помощью коллег, в частности генетика Карла Дайссерота (Karl Deisseroth). Он известен читателям "Вести.Наука" по созданию полностью прозрачного мозга мыши и тем, что научился контролировать боль при помощи света. Этот учёный для данной работы при помощи генетических модификаций изменил соматосенсорную кору мышей так, чтобы она могла воспринимать голубой свет и реагировать на него.

Учёные сообщают в своей статье журнала Science, что нервная ткань мозга точно воспроизводила световые схемы, поступающие от сенсорного датчика. Даже тогда, когда приходило 200 импульсов в секунду, вся схема работала исправно. Напомним, что данная технология также называется оптогенетикой.

Достижение группы Бао позволяет рассчитывать на то, что когда-нибудь такие или подобные датчики смогут в конечном счёте помочь восстановить естественное чувство прикосновения в искусственных конечностях.

Бао и её команда также отмечают, что сейчас активно разрабатываются мягкие электроды, которые не будут повреждать мягкие ткани. Возможно, будущее за ними.