Исследователи Орхусского университета в Дании создали мягкий сенсор, который имитирует один из механизмов работы чувствительных клеток кожи. Устройство размером примерно с чечевичное зерно превращает прикосновение в электрический сигнал. В будущем такой подход может помочь связать искусственную кожу протеза с нервной системой. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
© Телеканал «Наука»
Когда человек берет хрупкий стакан, пальцы автоматически регулируют силу захвата. Кожа чувствует давление, а специальные клетки преобразуют механическое воздействие в электрический сигнал, который по нервам поступает в мозг.
«Простое прикосновение на самом деле представляет собой чрезвычайно сложный механический процесс. Нам есть чему научиться у организма, и мы хотим лучше воспроизводить его принципы в лаборатории», — говорит доцент Орхусского университета Рассул Табассиан.
Как работает искусственная клетка
Сенсор изготовили из мягкого материала, похожего на силикон. Внутри находятся крошечные камеры, соединенные микроскопическим каналом. Их заполнили соленой водой, содержащей электрически заряженные частицы.
При прикосновении жидкость перемещается внутри устройства. Вместе с ней движутся заряженные частицы, из-за чего меняется электрический баланс и возникает слабый электрический сигнал. Похожий принцип используется в сенсорных клетках человеческой кожи, где движение ионов помогает превращать механическое воздействие в нервный сигнал.
«Мы не можем скопировать чувствительную клетку один в один. Она слишком сложна. Но мы можем выделить некоторые ее фундаментальные принципы и попытаться их воспроизвести — именно это нам и удалось», — объясняет Табассиан.
Само наличие сенсора, способного распознавать прикосновение, не является новым достижением. Подобные датчики уже используются в протезах. Проблема в другом: их сигналы пока не дают человеку полноценного ощущения того, к чему прикасается искусственная конечность.
«Новизна нашего сенсора заключается не в создании сигнала, а в том, как именно он возникает. Существующие датчики прикосновения используют механизм, сильно отличающийся от процессов в организме. Возможно, поэтому они не способны обеспечить человеку настоящее ощущение прикосновения. Наш сенсор создает сигнал за счет движения заряженных частиц, подобно тому, как это происходит в чувствительных клетках организма. В долгосрочной перспективе это может позволить напрямую соединить сенсор с нервной системой и дать протезу искусственное осязание. Именно к этому мы стремимся», — говорит ученый.
Протез уже чувствует прикосновение
Первый прототип установили на палец мягкой искусственной кисти. Он способен обнаруживать легкое касание, а также фиксировать пульсовую волну от кровеносного сосуда на запястье. Получаемый сигнал пока регистрируют лабораторные приборы.
До передачи информации непосредственно в нервную систему еще далеко. Напряжение, которое создает сенсор, должно достигать примерно 20 милливольт, чтобы вызвать сигнал в нервной клетке. Сейчас прототип не обеспечивает такой уровень.
Следующим этапом исследователи хотят увеличить силу электрического сигнала и проверить, сможет ли он напрямую стимулировать нервную ткань. Для этого потребуются дополнительные эксперименты сначала на животных, а затем на людях.
«Наши результаты вызвали большой интерес и теперь дают нам основания продолжить эту работу. Следующий шаг — сделать сигнал сенсора достаточно сильным для непосредственной стимуляции нервной системы. Это потребует большой экспериментальной работы в лаборатории, а затем серии исследований сначала на животных и позднее на людях», — отмечает Табассиан.
До протеза, который человек сможет ощущать почти как собственную руку, еще несколько лет исследований. Однако новый сенсор предлагает для этого другой подход — не просто регистрировать давление, а создавать электрический сигнал по принципу, близкому к работе живой кожи.
