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《星球大戰(zhàn)》中的絕地武士天行者盧克在與達(dá)斯維達(dá)的一次交鋒中失去了右手，接上高科技假肢后仍然跟真正的手一樣靈活自如，而且指尖和手掌可以感受到針尖的刺痛。這一幕正逐漸成為現(xiàn)實(shí)。

為什么假肢需要痛感？

如果想讓假肢感受葡萄的軟度或者手的溫度，這很容易理解。但是，為什么需要感覺(jué)痛？

圖片來(lái)源：DARPA

實(shí)際上，疼痛這種感覺(jué)是很有用的，它就像一個(gè)信號(hào)，說(shuō)，“嘿，小心！”。皮膚中的疼痛傳感器能保護(hù)我們的身體免受高溫或利具的傷害。同樣，截肢者可以依靠對(duì)疼痛的感知、利用疼痛信號(hào)來(lái)保護(hù)假肢免受損壞。

人們有時(shí)候還會(huì)無(wú)意識(shí)地把假肢當(dāng)作工具使用。要知道損壞假肢有可能代價(jià)慘重，因?yàn)橐恍┘僦馁M(fèi)用超過(guò)70,000美元。

假肢痛感要哪些技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)？

哪些技術(shù)能夠讓假肢模仿我們皮膚的天然能力，感知并傳遞疼痛感呢？

“e-dermis”系統(tǒng)

最近在《科學(xué)機(jī)器人》上發(fā)表的一篇論文中，約翰霍普金斯大學(xué)(JHU)的Thakor教授與其研究生Luke Osborn描述了他們正在研發(fā)的“e-dermis”系統(tǒng)和初始測(cè)試結(jié)果。e-dermis可讓假肢感知和傳遞疼痛感，也許在不久的將來(lái)，假肢可以跨越機(jī)器與人體的界線，為眾多假肢患者帶來(lái)更為人性化的感知。

不具備觸覺(jué)反饋或知覺(jué)的假肢不能分辨物體的粗糙、光滑、尖銳，以及冷熱。為了克服這些缺陷，JHU的研究人員通過(guò)模仿疼痛在人體自然皮膚上的作用方式開(kāi)發(fā)出來(lái)e-dermis系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，e-dermis系統(tǒng)模擬皮膚內(nèi)稱為傷害感受器的神經(jīng)細(xì)胞處理疼痛的方式，并通過(guò)機(jī)械感受器將產(chǎn)生的信號(hào)傳遞給大腦進(jìn)行加工（要知道，當(dāng)人們的傷處感到疼痛時(shí)，真正的疼痛感是由大腦產(chǎn)生的）。

Thakor教授稱，真正的皮膚由多層受體組成，那些傳感層以不同的方式對(duì)壓力作出反應(yīng)：一些對(duì)刺激作出快速反應(yīng)，另一些反應(yīng)則稍慢。e-dermis是一種電子皮膚，也有許多層（由壓阻和導(dǎo)電織物制成，當(dāng)然不是不同類型的細(xì)胞），以感知和測(cè)量壓力。

來(lái)自e-dermis的壓力信息被轉(zhuǎn)換成類似神經(jīng)元的脈沖，然后通過(guò)微小的電刺激將類神經(jīng)元信號(hào)傳遞給截肢者皮膚中的外周神經(jīng)，以引起壓力感，即疼痛感。

JHU團(tuán)隊(duì)在一位不愿透露姓名的截肢患者身上做了一系列測(cè)驗(yàn)。這名29歲男子在實(shí)驗(yàn)中會(huì)感受到壓力，指尖的敲擊，甚至是引起疼痛感覺(jué)的物體。他可以分辨出非痛苦和痛苦的觸覺(jué)感知之間的區(qū)別，包括物體的曲率變化和尖銳的邊緣。這位參與者描述：“許多年后，我又感覺(jué)到了自己的手，就好像一個(gè)空殼再次充滿了生命。”研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)過(guò)程中，以特定頻率提供的適量電流不僅會(huì)引發(fā)觸覺(jué)，而且會(huì)帶來(lái)痛苦感。

電子皮膚傳感器

上述e-dermis系統(tǒng)實(shí)際上就是電子皮膚。電子皮膚的概念并不新鮮。劉慈欣的科幻小說(shuō)《三體》中就描繪過(guò)這種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的電子皮膚。

電子皮膚能感知到壓力、被割傷時(shí)能自愈，且能處理感知的數(shù)據(jù)。這是未來(lái)有一天假肢能夠與神經(jīng)系統(tǒng)相連并傳送觸覺(jué)的關(guān)鍵一步。即使這個(gè)目標(biāo)暫時(shí)還不能實(shí)現(xiàn)，但這種柔軟且附著力好的電子皮膚也可以讓截肢患者及燒傷患者進(jìn)行更多的日常工作，比如撿起一些小東西，而且這種皮膚很可能幫助患者減輕幻肢痛。

電子皮膚的傳感器通過(guò)放置在皮膚上的電極連接到佩戴者的假體上，而且與真正的神經(jīng)傳遞信號(hào)的方式相似。根據(jù)電子裝置傳遞的不同脈沖模式，電子皮膚能夠傳遞從輕觸到疼痛的一系列感覺(jué)。

斯坦福大學(xué)鮑哲楠團(tuán)隊(duì)研制了一種觸覺(jué)傳感器，把導(dǎo)電的碳材料混入。當(dāng)材料受力時(shí)，導(dǎo)電橡膠膜中的電壓就會(huì)發(fā)生改變。課題組發(fā)現(xiàn)，用特定模式的微尺度錐體覆蓋觸覺(jué)傳感器能夠增加它們的觸覺(jué)敏感度——就像我們指紋上螺旋一樣。根據(jù)這種設(shè)計(jì)做出來(lái)的傳感器與我們手部的皮膚一樣敏感。課題組還將晶體管、電引線和其他組件印在橡膠皮膚上，做成有彈性的電流回路，把觸覺(jué)傳感器上的數(shù)據(jù)傳遞到假肢手部。如下圖所示，在顯微鏡下，觸覺(jué)傳感器上細(xì)小的角錐體清晰可見(jiàn)。這些50μm寬的特色結(jié)構(gòu)增進(jìn)了敏感度，就像我們隆起的指紋一樣。

下圖中木制假手上的每個(gè)指尖都裝上了有彈性的觸覺(jué)傳感器，與它們連著的電線能將數(shù)據(jù)傳往手掌中靈活的電子控制中心。

電子皮膚材料

有人說(shuō)石墨烯是一種萬(wàn)能材料，這個(gè)說(shuō)法雖然夸張，卻也有一些道理，比如格拉斯哥大學(xué)（University of Glasgow）的研究團(tuán)隊(duì)研究出的石墨烯電子皮膚就可以讓假肢產(chǎn)生觸覺(jué)。這種新型的電子皮膚由單層石墨烯制成，與碳片組成具有延展性和韌性的結(jié)合材料，最后再與太陽(yáng)能電池結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電和充電。

加入了這一層皮膚的假肢在開(kāi)啟了皮膚功能之后可以控制抓取物體的力道，即便是易碎的雞蛋也可以穩(wěn)穩(wěn)地拿起和放下，但如果沒(méi)有這一層皮膚，就立刻失去了應(yīng)有的按壓反饋，最終導(dǎo)致抓取物品力道難以控制甚至發(fā)生意外。

與此同時(shí)，斯坦福大學(xué)鮑哲楠團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)一些更奇妙的材料。其中的一種高分子材料模擬了人體皮膚兩個(gè)最重要的特征：伸縮和自愈，比人的皮膚更有彈性，能被拉伸到自身長(zhǎng)度的100倍而不受損壞。這種材料被割傷時(shí)可以自動(dòng)愈合，并不需要加熱或其它觸發(fā)物。它還能作為一種較弱的人造肌肉，在施加電場(chǎng)時(shí)延展或收縮。

讓假肢痛成為現(xiàn)實(shí)有哪些障礙？

從基礎(chǔ)學(xué)科的角度，新材料的設(shè)計(jì)需要更好的電學(xué)功能和力學(xué)功能。

從工藝角度上，需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更大型的集成電路方式。

從應(yīng)用角度，從實(shí)驗(yàn)室到大規(guī)模生產(chǎn)再到商業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路。

總結(jié)

疼痛當(dāng)然不會(huì)令人愉悅，但對(duì)截肢患者來(lái)說(shuō)，適當(dāng)?shù)奶弁磪s是他們長(zhǎng)久以來(lái)的盼望。理想的假體允許使用者保持完全的控制，并在需要時(shí)選擇"關(guān)閉疼痛反應(yīng)"。JHU及其它假肢觸覺(jué)項(xiàng)目的研究人員正在尋求更加逼真的電子皮膚材料、傳感器，以及假肢觸覺(jué)傳輸方式，希望有一天可以達(dá)到真實(shí)的皮膚體驗(yàn)。