让假肢感受痛感 达到真实的皮肤体验

疼痛当然不会令人愉悦，但对截肢患者来说，让假肢适当疼痛却是他们长久以来的盼望。为什么需要痛？原来痛感就是一个信号，说，“嘿，小心！”，可以避免假肢损坏。要知道，一些假肢价格超过70，000美元。那么，实现假肢痛感，要用到哪些技术？

《星球大战》中的绝地武士天行者卢克在与达斯维达的一次交锋中失去了右手，接上高科技假肢后仍然跟真正的手一样灵活自如，而且指尖和手掌可以感受到针尖的刺痛。这一幕正逐渐成为现实。

为什么假肢需要痛感？

如果想让假肢感受葡萄的软度或者手的温度，这很容易理解。但是，为什么需要感觉痛？

图片来源：DARPA

实际上，疼痛这种感觉是很有用的，它就像一个信号，说，“嘿，小心！”。皮肤中的疼痛传感器能保护我们的身体免受高温或利具的伤害。同样，截肢者可以依靠对疼痛的感知、利用疼痛信号来保护假肢免受损坏。

人们有时候还会无意识地把假肢当作工具使用。要知道损坏假肢有可能代价惨重，因为一些假肢的费用超过70，000美元。

假肢痛感要哪些技术来实现？

哪些技术能够让假肢模仿我们皮肤的天然能力，感知并传递疼痛感呢？

“e-dermis”系统

最近在《科学机器人》上发表的一篇论文中，约翰霍普金斯大学（JHU）的Thakor教授与其研究生Luke Osborn描述了他们正在研发的“e-dermis”系统和初始测试结果。e-dermis可让假肢感知和传递疼痛感，也许在不久的将来，假肢可以跨越机器与人体的界线，为众多假肢患者带来更为人性化的感知。

图片来源：Osborn等提供

不具备触觉反馈或知觉的假肢不能分辨物体的粗糙、光滑、尖锐，以及冷热。为了克服这些缺陷，JHU的研究人员通过模仿疼痛在人体自然皮肤上的作用方式开发出来e-dermis系统。具体来说，e-dermis系统模拟皮肤内称为伤害感受器的神经细胞处理疼痛的方式，并通过机械感受器将产生的信号传递给大脑进行加工（要知道，当人们的伤处感到疼痛时，真正的疼痛感是由大脑产生的）。

Thakor教授称，真正的皮肤由多层受体组成，那些传感层以不同的方式对压力作出反应：一些对刺激作出快速反应，另一些反应则稍慢。e-dermis是一种电子皮肤，也有许多层（由压阻和导电织物制成，当然不是不同类型的细胞），以感知和测量压力。

来自e-dermis的压力信息被转换成类似神经元的脉冲，然后通过微小的电刺激将类神经元信号传递给截肢者皮肤中的外周神经，以引起压力感，即疼痛感。

JHU团队在一位不愿透露姓名的截肢患者身上做了一系列测验。这名29岁男子在实验中会感受到压力，指尖的敲击，甚至是引起疼痛感觉的物体。他可以分辨出非痛苦和痛苦的触觉感知之间的区别，包括物体的曲率变化和尖锐的边缘。这位参与者描述：“许多年后，我又感觉到了自己的手，就好像一个空壳再次充满了生命。”研究团队发现，在这个过程中，以特定频率提供的适量电流不仅会引发触觉，而且会带来痛苦感。

电子皮肤传感器

上述e-dermis系统实际上就是电子皮肤。电子皮肤的概念并不新鲜。刘慈欣的科幻小说《三体》中就描绘过这种增强现实的电子皮肤。

电子皮肤能感知到压力、被割伤时能自愈，且能处理感知的数据。这是未来有一天假肢能够与神经系统相连并传送触觉的关键一步。即使这个目标暂时还不能实现，但这种柔软且附着力好的电子皮肤也可以让截肢患者及烧伤患者进行更多的日常工作，比如捡起一些小东西，而且这种皮肤很可能帮助患者减轻幻肢痛。

电子皮肤的传感器通过放置在皮肤上的电极连接到佩戴者的假体上，而且与真正的神经传递信号的方式相似。根据电子装置传递的不同脉冲模式，电子皮肤能够传递从轻触到疼痛的一系列感觉。

斯坦福大学鲍哲楠团队研制了一种触觉传感器，把导电的碳材料混入。当材料受力时，导电橡胶膜中的电压就会发生改变。课题组发现，用特定模式的微尺度锥体覆盖触觉传感器能够增加它们的触觉敏感度——就像我们指纹上螺旋一样。根据这种设计做出来的传感器与我们手部的皮肤一样敏感。课题组还将晶体管、电引线和其他组件印在橡胶皮肤上，做成有弹性的电流回路，把触觉传感器上的数据传递到假肢手部。如下图所示，在显微镜下，触觉传感器上细小的角锥体清晰可见。这些50μm宽的特色结构增进了敏感度，就像我们隆起的指纹一样。

图片来源：MIT Technology Review

下图中木制假手上的每个指尖都装上了有弹性的触觉传感器，与它们连着的电线能将数据传往手掌中灵活的电子控制中心。

图片来源：MIT Technology Review

电子皮肤材料

有人说石墨烯是一种万能材料，这个说法虽然夸张，却也有一些道理，比如格拉斯哥大学（University of Glasgow）的研究团队研究出的石墨烯电子皮肤就可以让假肢产生触觉。这种新型的电子皮肤由单层石墨烯制成，与碳片组成具有延展性和韧性的结合材料，最后再与太阳能电池结合来实现导电和充电。

加入了这一层皮肤的假肢在开启了皮肤功能之后可以控制抓取物体的力道，即便是易碎的鸡蛋也可以稳稳地拿起和放下，但如果没有这一层皮肤，就立刻失去了应有的按压反馈，最终导致抓取物品力道难以控制甚至发生意外。

与此同时，斯坦福大学鲍哲楠团队正在研发一些更奇妙的材料。其中的一种高分子材料模拟了人体皮肤两个最重要的特征：伸缩和自愈，比人的皮肤更有弹性，能被拉伸到自身长度的100倍而不受损坏。这种材料被割伤时可以自动愈合，并不需要加热或其它触发物。它还能作为一种较弱的人造肌肉，在施加电场时延展或收缩。

图片来源：MIT Technology Review

让假肢痛成为现实有哪些障碍？

从基础学科的角度，新材料的设计需要更好的电学功能和力学功能。

从工艺角度上，需要进一步实现更复杂、更大型的集成电路方式。

从应用角度，从实验室到大规模生产再到商业化应用还有很长的路。

总结

疼痛当然不会令人愉悦，但对截肢患者来说，适当的疼痛却是他们长久以来的盼望。理想的假体允许使用者保持完全的控制，并在需要时选择“关闭疼痛反应”。JHU及其它假肢触觉项目的研究人员正在寻求更加逼真的电子皮肤材料、传感器，以及假肢触觉传输方式，希望有一天可以达到真实的皮肤体验。