Мягкая электрическая кожа почувствовала температуру и нажим

Американские ученые создали искусственную кожу, которая может превращать ощущения в электрические сигналы и передавать их в мозг. Кожа эластичная и работает на низком напряжении, что делает ее безопасной и устойчивой к растяжениям. Электрическую кожу протестировали на крысах, но ученые надеются в будущем добавить ее в протезы для людей. Работа опубликована в журнале Science.

У настоящей кожи есть несколько функций. Помимо того, что она защищает организм от внешней среды, кожа чувствует температуру, вибрацию, прикосновения и другие ощущения, без чего сложно взаимодействовать с окружающим миром. Поэтому людям часто сложно пользоваться протезами: они не всегда хорошо передают ощущения. Ученые давно пытаются сделать протезы более чувствительными, в том числе с помощью искусственной кожи, передающей электрические сигналы с помощью сенсоров и транзисторов.

Обычная кожа легко растягивается и сжимается, при этом полностью сохраняя чувствительность. В идеале искусственная кожа должна быть такой же, но обычно она состоит из комбинации жестких и мягких элементов.

Группе ученых из Стэнфордского университета под руководством Бао Чжэнань (Bao Zhenan) удалось разработать полностью мягкую и эластичную искусственную кожу, которая передает электрические сигналы и работает на низком напряжении в 5 вольт, безопасном для человеческого тела (как правило, транзисторы в искусственной коже работают на электрическом напряжении в 30-100 вольт). Понизить напряжение удалось за счет повышения подвижности носителей заряда в 30 раз.

Такие электрические свойства обеспечил сложный состав новой искусственной кожи. Она состоит из трех слоев материалов, один из которых — синтетический каучук. Его обычно используют для изготовления медицинских перчаток. Толщина всех трех слоев составила меньше микрона, поэтому к материалу для надежности прикрепили подложку. Вместе с ней искусственная кожа достигла толщины листа бумаги (25-30 микронов).

Каждый слой кожи включает в себя миниатюрные сенсоры, которые распознают нажатия, температуру и растяжения. Транзисторы превращают сигналы от сенсоров в электрические импульсы с частотой до 42 герц и стабильной амплитудой. Также транзисторы меняют форму сигналов от сенсоров, чтобы сделать их более похожими на сигналы нейронов в головном мозге. Далее по искусственному синапсу электрические сигналы как раз отправляются в соматосенсорную кору мозга.

Ученые проверили эффективность электрической искусственной кожи на крысах. Для этого они прикрепили кусок искусственной кожи к настоящей, а также создали два искусственных синапса: между искусственной кожей и соматосенсорной корой, и между моторной корой и седалищным нервом. Соматосенсорная кора воспринимает сигналы от органов чувств, а моторная кора подает команды мышцам. Ученые так стимулировали искусственную кожу, чтобы вызвать у крыс ответную реакцию в виде движения лап.

Оказалось, что более сильные нажатия на искусственную кожу заставляли лапы крыс активнее подергиваться. В ответ на слабые нажатия крысы дергали лапами под углом 44 градуса, в ответ на самые сильные — 70 градусов. Это показало чувствительность искусственной кожи к стимулам разной интенсивности. Кусок искусственной кожи прикрепляли к настоящей на 30 часов, и за это время он не вызвал раздражения.

В будущем ученые планируют интегрировать технологию в человеческие протезы, но сначала нужно сделать искусственную кожу беспроводной и разработать систему для взаимодействия мозга с разными частями тела с ее помощью.

Тем временем нейрохирурги из Швейцарии, Великобритании, США и Франции сделали интерфейс для связи спинного и головного мозга. Пациент потерял способность ходить после неполной травмы спинного мозга, но с новым нейроинтерфейсом ему удалось на костылях ходить по дому, стоять и садиться в машину.