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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，為什么需要感覺痛？

圖片來源：DARPA

實(shí)際上，疼痛這種感覺是很有用的，它就像一個(gè)信號(hào)，說，“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)來保護(hù)假肢免受損壞。

人們有時(shí)候還會(huì)無意識(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70,000美元。

假肢痛感要哪些技術(shù)來實(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，假肢可以跨越機(jī)器與人體的界線，為眾多假肢患者帶來更為人性化的感知。

不具備觸覺反饋或知覺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的研究人員通過模仿疼痛在人體自然皮膚上的作用方式開發(fā)出來e-dermis系統(tǒng)。具體來說，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），以感知和測量壓力。

來自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的物體。他可以分辨出非痛苦和痛苦的觸覺感知之間的區(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，我又感覺到了自己的手，就好像一個(gè)空殼再次充滿了生命?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)過程中，以特定頻率提供的適量電流不僅會(huì)引發(fā)觸覺，而且會(huì)帶來痛苦感。

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《三體》中就描繪過這種增強(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)。這是未來有一天假肢能夠與神經(jīng)系統(tǒng)相連并傳送觸覺的關(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。

斯坦福大學(xué)鮑哲楠團(tuán)隊(duì)研制了一種觸覺傳感器，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傳感器能夠增加它們的觸覺敏感度——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，觸覺傳感器上細(xì)小的角錐體清晰可見。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

有人說石墨烯是一種萬能材料，這個(gè)說法雖然夸張，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。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，最后再與太陽能電池結(jié)合來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電和充電。

加入了這一層皮膚的假肢在開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)截肢患者來說，適當(dāng)?shù)奶弁磪s是他們長久以來的盼望。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，以及假肢觸覺傳輸方式，希望有一天可以達(dá)到真實(shí)的皮膚體驗(yàn)。