從電子皮膚到仿生手的基于電子的假肢的研究人員正在努力為未來的主流佩戴者帶來舒適和前沿的技術(shù)。

電氣工程創(chuàng)新在其中所產(chǎn)生的深刻影響的眾多領(lǐng)域之一是假肢技術(shù)。無(wú)論假肢和骨骼是用于肢體缺失或其他固定狀況的人，這些設(shè)備的應(yīng)用范圍甚至可以從醫(yī)學(xué)用途擴(kuò)展到基于AR / VR的學(xué)習(xí)，機(jī)器人技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用。

一個(gè)高級(jí)圖，顯示了研究人員用來向運(yùn)動(dòng)傳感器提供上下文的位置。圖片由Nature Electronics和UC Berkeley提供

許多大學(xué)一直在研究假肢，并在涉及傳感器，運(yùn)動(dòng)和觸感方面試圖改善假肢的設(shè)計(jì)。 

使用MXene電子皮膚傳感器獲取生理數(shù)據(jù)

假肢的主要目的是幫助那些肢體完全沒有能力使用肢體的人。這個(gè)目標(biāo)導(dǎo)致大多數(shù)假肢研究集中在人造手和腿上。為了模仿盡可能接近真實(shí)生物結(jié)構(gòu)的設(shè)備，材料科學(xué)，制造，電子和生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的研究人員必須融合他們的專業(yè)知識(shí)。

阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）最近關(guān)于電子皮膚（或“ e-skin”）傳感器的出版物描述了一種基于MXene-水凝膠異質(zhì)結(jié)構(gòu)開發(fā)的新材料。電子皮膚通常是通過在與人體皮膚或假肢相連的表面上鋪一層活性納米材料制成的。KAUST的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種薄的，可拉伸的和相對(duì)更耐用的材料，該材料可以像人的皮膚一樣更精確地起作用。

由MXene-水凝膠異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成的電子皮膚。圖片由KAUST提供

新開發(fā)的電子皮膚是通過將乙烯基二氧化硅納米粒子-聚丙烯酰胺（VSNP-PAM）水凝膠作為彈性基質(zhì)，2D MXene納米片作為傳感陣列以及1D聚吡咯納米線（PpyNWs）分層而制成的。與現(xiàn)有的水凝膠相比，化合物中的氫鍵使它具有更強(qiáng)的能力（?7020 J / m2）和更低的滯后性（<0.1）。

KAUST聲稱其原型電子皮膚可以感應(yīng)20厘米外的物體，在不到十分之一秒的時(shí)間內(nèi)就能對(duì)刺激做出反應(yīng)，并且當(dāng)用作壓力傳感器時(shí)，可以區(qū)分上面書寫的筆跡。

可將基于皮膚的MXene-PpyNW-VSNP-PAM附著在前臂上的皮膚。圖片由KAUST提供

該傳感器經(jīng)過5,000次變形后仍能繼續(xù)正常工作，每次恢復(fù)大約四分之一秒。研究人員認(rèn)為，該傳感器可以傳輸一系列不同的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以幫助制定治療計(jì)劃并制定減輕傷害的培訓(xùn)計(jì)劃。 

增添觸感

設(shè)計(jì)假肢（人類和機(jī)器人使用）的一個(gè)問題是模擬觸摸的感覺。去年下半年，康奈爾大學(xué)的研究人員對(duì)結(jié)合了低成本LED和染料的光纖傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，從而產(chǎn)生了可拉伸的“皮膚”，用于檢測(cè)壓力，彎曲和應(yīng)變等變形。

內(nèi)襯可伸縮光纖傳感器的3D打印手套使用光實(shí)時(shí)檢測(cè)一系列變形。圖片由 康奈爾大學(xué)提供

通過使用數(shù)學(xué)模型，康奈爾大學(xué)的團(tuán)隊(duì)可以區(qū)分不同的變形，并精確確定其確切的位置和大小。研究人員聲稱，該設(shè)備可以創(chuàng)建沉浸式AR / VR技術(shù)，例如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)仿真，以通過引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)向用戶教授不同的技能。

例如，用戶可以學(xué)習(xí)諸如用手套更換輪胎來模擬擰緊螺母和螺栓的感覺之類的任務(wù)。該技術(shù)最終可以在假肢上實(shí)現(xiàn)，以給用戶帶來觸覺，并為佩戴者提供更好的靈活性和動(dòng)作控制。

用AI修復(fù)

通過人工智能，可以模擬手的復(fù)雜功能。加州大學(xué)伯克利分校的研究人員通過開發(fā)具有人工智能軟件的可穿戴生物傳感器來進(jìn)行這種復(fù)雜的模擬 。據(jù)說該軟件可以根據(jù)前臂中的電信號(hào)模式識(shí)別人打算做出的手勢(shì)。

具有集成AI的可穿戴傳感器，可進(jìn)行假肢控制。圖片由 加州大學(xué)伯克利分校提供

加州大學(xué)伯克利分校的研究人員指出，他們的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)可以對(duì)多達(dá)21種不同的手勢(shì)進(jìn)行分類�；�于超維計(jì)算算法，它可以利用新信息更新您自己（您做的越多，它就越好），同時(shí)具有本地片上計(jì)算的額外優(yōu)勢(shì)，從而減少了對(duì)隱私泄露的擔(dān)憂。 

舒適會(huì)導(dǎo)致主流適應(yīng)嗎？

假肢的一個(gè)通常被忽略的設(shè)計(jì)考慮因素是用戶的舒適度。某些假肢研究雖然處于最新狀態(tài)，但尚未成熟到主流應(yīng)用中-部分是由于成本方面的挑戰(zhàn)，另一方面是由于與不同用戶的體重，形狀，大小和舒適度有關(guān)的固有設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。 

在這方面，CYBERLEGs Plus Plus和DeTOP等項(xiàng)目對(duì)于商業(yè)化和可行的假肢和外骨骼開發(fā)似乎特別令人鼓舞。 

CYBERLEGSs Plus Plus假肢（左）和DeTOP假肢（右）。圖片由CYBERLEGs Plus Plus和DeTOP提供

CYBERLEGs Plus Plus正在開發(fā)機(jī)器人外骨骼（機(jī)器人的腿部和支架），該骨骼器使用連接到兩個(gè)馬達(dá)的傳感器來預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)。這些外骨骼可以使截肢者以較小的力度行走和爬樓梯，并防止其掉落。該假肢還包括壓敏鞋墊，不會(huì)改變穿著者的步態(tài)，從而提高了穿著者的舒適度。

DeTOP的研究使用假肢修復(fù)截肢后手功能的恢復(fù)。該公司已成功地向患者展示了一種新型植入系統(tǒng)，該患者現(xiàn)在可以靈巧地控制她的手部假體。DeTOP還聲稱，通過其骨整合過程，其假肢比基本的插座版本更舒適。