智慧人造皮肤有可能?感受触碰的感觉

2023-10-20 12:59

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根据卫福部统计处 2014 年的资料,目前光是就有近 40 万的肢障人口,虽然不是人人都迫切需要穿戴义肢,但若能拥有如真实手脚般的替代品或许能让生活便利许多。国内外义肢的相关研发已经持续数年,在过去几个月,瑞典科学家宣布他们开发出第一种能够与穿戴者的骨头、神经、肌肉连结的义肢,并能透过想法控制其动作;另外也有团队研发能够自行愈合的人造皮肤;甚至有研究人员试图将人造皮肤的敏感度提升至真实皮肤的一千倍。不过至今还没有一项产品能让穿戴者感受到他们所拿的物品是冷是热、是干是湿,也无法感觉到压力进而判断手部施力是否适当。对此,由首尔大学教授金大亨(Dae-Hyeong Kim)带领的团队研发出一种几乎可比拟真实的人造皮肤,让穿戴者能感受到温度、压力、湿度,甚至还装有加热器让它摸起来就像是活生生的皮肤。它主要的组成材料是含有金及硅的聚合物-聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS),它透明且富有弹性,能够包覆住整个义肢手臂,每平方毫米布有四百个传感器,嵌在里面的硅奈米带(silicon nanoribbons)让皮肤在挤压或伸展时会产生电以提供触觉反应,能感觉温度及压力。

湿度传感器由电容器组成,当电容器周围的聚合物吸收水分,湿度会改变聚合物储存电荷的能力,电容器测量储存量的变化,并以此判断环境中的水分含量。为了测试湿度传感器的准确度,研究人员首先比较人造皮肤和工业用的湿度传感器数据,结果显示人造皮肤湿度传感器的准确度并不输工业用湿度传感器。接着研究人员让人造皮肤实地碰触干湿状态不同的尿布,结果显示这个辨识任务对人造皮肤湿度传感器来说完全没问题。

为了让穿戴者能灵活运动,研究人员赋予不同肢体部位充分的弹性。团队利用动作捕捉摄影机记录真人手臂动作时皮肤会如何伸展,并套用在人造皮肤上,透过调整硅奈米带的形状调整不同部位的弹性程度,在需要频繁动作的部位(如手肘),延展程度最高可达16%,在比较不需要活动的部位(如手指尖),就加强敏感程度。这些传感器以一层一层薄膜的形式堆栈起来,不但能提高耐用度也能减少产生裂痕的风险:

目前研究团队的下一步,是要想办法将人造皮肤与人类神经系统连接起来。近期的实验已将人造皮肤与老鼠大脑做连接,测量到老鼠大脑的感觉皮质(sensory cortex)确实有接收到感觉讯息输入(sensory input ),不过这不能说明老鼠是否真的有感觉到温度、湿度或压力。为了得到更有效的实验结果,未来会逐步以较大型的动物进行测试。

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