Кожа человека воспринимает раздражители давления на прикосновение, которые впоследствии трансформируются в физиологические реакции и передаются в мозг через нервную систему. Качество жизни людей с потерей конечностей сильно страдает из-за отсутствия тактильного сенсорного потенциала. Для достижения близкой к естественной чувствительности важно разработать тактильную сенсорную систему, которая воспринимает стимулы, кодирует их, а затем передает в мозг для формирования сенсорной обратной связи. Поэтому исследователи заинтересованы в разработке датчиков для встроенного протезирования и искусственной кожи. Они смогут восстановить тактильные ощущения у людей с ограниченными возможностями.
Высокопроизводительные тактильные сенсоры.
Заметный прогресс был достигнут в области разработки протезов конечностей, интегрированных с жесткими и гибкими тактильными датчиками, которые реагируют на изменяющиеся условия окружающей среды. Несмотря на эти достижения, протезы не могут в полной мере использоваться в качестве функциональной замены естественных конечностей для инвалидов из-за несовместимости сигналов, то есть цифровых импульсных сигналов человека и аналоговых сигналов от искусственных тактильных датчиков. В этом случае очень важна разработка протезов нового поколения, которые заменяют или даже превосходят по чувствительности человеческие конечности.
Необходимые параметры для изготовления высокоэффективных тактильных датчиков:
- высокая тактильная чувствительность,
- сверхнизкое давление,
- способность кодировать стимулы, имитирующие человеческий потенциал.
Высокопроизводительные электронные тактильные сенсоры могут быть изготовлены с использованием гибких резисторов, конденсаторов или органических полевых транзисторов на основе наноматериалов. Новизна в структуре также влияет на чувствительность и предел обнаружения тактильных датчиков. В частности, полидиметилсилоксан с микроструктурой показал себя перспективным материалом для разработки высокочувствительных датчиков давления. Для обеспечения более богатой и естественной формы обратной связи разрабатываются некоторые подходы, позволяющие получить тактильное восприятие:
- Подход интраневральной стимуляции, который вызывает дискриминацию текстурных особенностей искусственным кончиком пальца в неповрежденных и ампутированных конечностях.
- Многоуровневая электронная дерма, которая обладает свойствами, основанными на поведении механорецепторов и ноцицепторов, для предоставления нейроморфной тактильной информации ампутируемому.
Эти подходы открывают новые возможности для сенсорной реставрации нервных конечностей в нейропротезировании кистей рук. Если тактильная обратная связь становится все более биомиметической, то она становится более естественной и значимой для пациента.
Система сенсорной обратной связи может быть более совместима с человеком, если тактильный сенсор способен кодировать стимулы, имитируя потенциалы действия, которые эффективно преобразуют механические стимулы в физиологические сигналы. Поэтому преобразование сигналов во временной области в сигналы в частотной области является ключевым фактором для искусственных тактильных датчиков.
Недавние нейропротезные исследования показали, что ощущение давления может быть стимулировано введением ряда импульсов, имеющих различные частоты через интерфейсы манжетов. А болевые ощущения могут быть вызваны с помощью транскутанной электрической стимуляции нервов. Кроме того, была показана реконструкция тактильного ощущения уровня силы и формы объекта мультиэлектродной стимуляцией с помощью импульсов.
Еще одна работа была сосредоточена на создании биомиметической тактильной сенсорной системы с помощью цифровых импульсов для функционального протезирования. Тонкое измерение давления - это замечательное умение соматосенсорной системы, которая используется в повседневной деятельности для взаимодействия с окружающей средой.
Тактильный датчик на основе технологии магнитного зондирования для умного протезирования.
Еще одна разработка - тактильный сенсор, который показывает высокую чувствительность и низкий предел обнаружения, а также демонстрирует импульсноподобные реакции человека. Это подтверждает его потенциал для применения в протезировании, даже при сверх чувствительности тактильных механорецепторов в естественных конечностях.
Факторы, которые играют важную роль в повышении эффективности тактильного сенсора, следующие:
- индуктивный чувствительный элемент с высокой чувствительностью к магнитному полю транслирует слабое магнитное поле, обеспечивая высокую чувствительность датчика;
- свободно стоящая мембрана воздушного зазора легко деформируется под воздействием внешней тонкой силы вследствие незначительной потери, обеспечивая низкий предел обнаружения датчика;
- индуктивный чувствительный элемент одновременно реагирует на изменение магнитного поля в цепи.
В целом, характеристики такого тактильного датчика указывают на возможность применения в области "умного" протезирования. Кроме того, ожидается, что чувствительность и предел обнаружения датчика могут быть дополнительно улучшены. Можно выбрать материалов с более высоким коэффициентом и изменением толщины мембраны за счет оптимизации полимерного магнита и метода изготовления. Сенсорная обратная связь тактильных датчиков с высокой чувствительностью, низким пределом обнаружения и цифровыми частотными сигналами может в будущем улучшить протезирование конечностей и сделать их более персонализированными.
