研究人員研發出一種能像真的皮膚般對疼痛有所反應的電子人工皮膚,為更好的義肢、更聰明的機器人以及非侵入式皮膚移植開啟了大門。

如皮膚感受疼痛

這個由澳洲墨爾本皇家理工大學(RMIT University in Melbourne, Australia)所研發的原型設備可以電子化地複製人類皮膚感受疼痛的方式。這個設備模仿身體的幾乎立即的回饋反應,並且可以利用與神經訊號傳送到大腦一樣快的速度對疼痛知覺作出反應。

主要研究人員瑪都·巴斯卡蘭教授(Madhu Bhaskaran)說這個能感受到疼痛的原型是往下一代生醫科技與智能機器人的重要一大步。巴斯卡蘭教授說到:「皮膚是我們身體最大的知覺器官,具有複雜的特徵,而當任何東西疼痛時,這些特徵會用來傳輸接二連三的警告訊號。」

她繼續說到:「我們隨時都透過我們的皮膚來感受事情,但是我們的疼痛反應只會在某個特定時間點開始,例如當我們碰到某個太熱或太尖的東西時。然而,還沒有電子科技能夠真實地模仿人類感受痛覺的方式─直到現在。我們的人造皮膚能夠在壓力、熱或冷達到某個令人痛苦的門檻時立即反應。未來,這個技術對我們在發展複雜的回饋系統時非常重要,因為我們需要如此的回饋系統來打造真正聰明的義肢以及智慧型機器人。」

各種感受知覺原型

除了感受疼痛的原型之外,研究團隊也研發了使用彈性電路(Stretchable electronics)的設備,這些彈性電路可以感受並對溫度及壓力上的變化做出回應。

RMIT 功能性材料及微系統組的共同領導者巴斯卡蘭教授提到三個功能性原型被設計來以電子型式傳輸皮膚感知能力上的重要特徵。

隨著進一步的發展,在未來,當傳統的皮膚移植方法不可行或無法運作時,可伸展的人工皮膚也可以作為非侵入式皮膚移植的一個選項。巴斯卡蘭教授表示:「我們需要進一步的研發來將此科技整合入生醫應用上,但是基礎的條件,包括生物相容性、像皮膚般的伸展性等都已經存在。」

製造方法

這個新研究最近發表於科學期刊《進階智慧系統》(Advanced Intelligent Systems),並申請了臨時專利申請案。該研究結合了先前三項由該團隊所研發並取得專利的技術。分別為如下:

彈性電路:將氧化物與具有生物相容性的矽結合,來製造透明、難破裂且耐磨耗,如貼紙般薄的電路;溫度反應性塗層:根據一種能夠伴隨熱而轉變的材料而形成的自我修改塗層,比起人類的頭髮還要薄 1000 倍;以及模仿大腦的記憶體:能夠模仿大腦使用長期記憶以回復和維持先前記憶的方式的電子記憶單元。

其中,壓力感測原型結合了彈性電路及長期記憶單元,熱感測原型結合了溫度反應性塗層及記憶體,而疼痛感測原型則是整合了這三項技術。

博士研究員麥德·阿塔爾·萊曼(Md Ataur Rahman)表示,當壓力、熱或者疼痛到達一個設定的閾值時,每個原型中的記憶單元都會負責觸發一個反應。他說到:「我們實質上創造了第一個電子體感器,複製了人體用來察覺感官刺激的複雜神經系統、神經路線及受器的主要特徵。某些現存技術雖然使用電子訊號來模仿不同等級的疼痛,但我們的新設備可以對真實的壓力、溫度及疼痛做出反應,並傳遞正確的電子回應。也就是說,我們的人造皮膚知道手指輕輕地碰到一個針跟意外地被扎到間的差異,這是過去從來沒有電子式地達成的重要差別。」

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參考資料:

  1. RMIT University, (2020, September 1). New electronic skin can react to pain like human skin. TechXplore
  2. Rahman, M. A. et al., (2020, September 1). Artificial Somatosensors: Feedback Receptors for Electronic Skins. Advanced Intelligent Systems. DOI: 10.1002/aisy.202000094
  3. 圖片來源:https://techxplore.com/news/2020-09-electronic-skin-react-pain-human.html(圖:RMIT University)
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