Istraživači Laboratorije za primenjenu fiziku Džona Hopkinsa (APL) razvili su jedan od najmanjih, najintenzivnijih i najbržih rashladnih uređaja na svetu, nosivi termoelektrični hladnjak sa tankim filmom (TFTEC), i udružili se sa neuronaučnicima kako bi pomogli amputarima da primete osećaj temperature pomoću svog veštačkog uda. Oni su objavili svoj rad u Nature Biomedical Engineering.
Ovaj napredak, jedan od prvih te vrste, omogućava korisnu novu sposobnost za različite primene, uključujući poboljšane proteze, haptike za nove modalitete u proširenoj stvarnosti (AR) i termički modulisanu terapiju za aplikacije kao što je upravljanje bolom. Tehnologija takođe ima niz potencijalnih industrijskih i istraživačkih aplikacija, kao što su rashladna elektronika i laseri i prikupljanje energije u satelitima.
Razvoj TFTEC-a u APL-u započeo je 2016. godine, kada je Rama Venkatasubramanian, inženjer poluprovodničkih uređaja i glavni tehnolog za APL-ova termoelektrična istraživanja, počeo da razvija napredne nano-inženjerske termoelektrične materijale i uređaje za MATRIKS program Agencije za napredna istraživanja u oblasti odbrane (DARPA).
Da bi podržao MATRIKS, APL je razvio napredne termoelektrične materijale sa tankim slojem pod nazivom kontrolisane hijerarhijski projektovane superrešetkaste strukture (CHESS), kako bi omogućio potpuno novi skup mogućnosti transdukcije za nekoliko aplikacija Ministarstva odbrane, uključujući hlađenje kompjuterskih čipova i komponenti motora.
Venkatasubramanianovi koraci u termoelektrici CHESS bili su toliko značajni do kraja 2019. da se Bobi Armiger, koji nadgleda istraživačku naučnu granu APL-a, zapitao da li bi njegovi uređaji mogli da se koriste za olakšavanje temperaturnog osećaja u veštačkim udovima amputiranih za poboljšanje proteza. Od 2006. godine, APL je vodio DARPA-in program Revolucionišuće protetike, napor fokusiran na stvaranje mentalno kontrolisanog veštačkog uda koji će vratiti skoro prirodne motoričke i senzorne sposobnosti pacijentima sa amputiranim gornjim ekstremitetima.
„Znali smo da možemo da stimulišemo određene delove nečijeg amputiranog ekstremiteta da osete osećaj dodira i vibracije, ali niko nije uspeo da stvori osećaj hlađenja brzinom, intenzitetom i efikasnošću da bi obnovio prirodnu toplotnu percepciju pomoću proteze. sistem“, rekao je Armiger. „Obnavljanje temperaturnog osećaja ima praktičnu primenu — poput identifikacije hladnog napitka — kao i potencijal da poboljša emocionalno otelovljenje protetskog uređaja, možda osećajući toplinu ruke voljene osobe.“
Venkatasubramanian i termoelektrični tim počeli su da sarađuju sa Armigerom i timom neuronaučnika i robotičara kao deo studije koju je podržao Centar za istraživanje rehabilitacionih nauka u okviru Odeljenja za fizikalnu medicinu i rehabilitaciju (PM&R) na Univerzitetu za uniformisane usluge Univerziteta zdravstvenih nauka ( USU) da stvori termoelektrični hladnjak koji se može nositi brzo i dovoljno intenzivno da odgovara sposobnosti ljudskog tela da brzo oseti promene temperature.
Od toga je nastao nosivi TFTEC.
„Naš TFTEC je debeo samo nešto više od jednog milimetra, težak je samo 0,05 grama, slično tankom lepljivom zavoju, i može da obezbedi intenzivno hlađenje za manje od sekunde“, rekao je Venkatasubramanian. „Takođe je dva puta energetski efikasniji od današnjih najčešćih termoelektričnih uređaja i može se lako proizvesti pomoću poluprovodničkih alata koji se takođe koriste za proizvodnju dioda koje emituju svetlost [LED]. To je uzbudljiv razvoj koji bi mogao imati ogromne implikacije na proteze i haptiku aplikacije“.
Da bi testirali efikasnost TFTEC-a, istraživači su mapirali toplotne senzacije u veštačkim rukama četiri osobe sa amputacijom.
„Kada neko izgubi deo udova, nervi unutar preostalog ekstremiteta su i dalje tu, što može da dovede do osećaja ’fantomskog’ ekstremiteta“, rekao je Luk Ozborn, istraživač neuroinženjeringa koji vodi veći deo APL-ovog rada na neinvazivnoj simulaciji nerava. „Možete postaviti elektrode na različite delove nadlaktice amputiranog gde su ti nervi ponovo izrasli i stimulišu osećaj – obično pritisak, ali u trenutnom slučaju temperaturu – i pojedinac nam može reći gde u svojoj fantomskoj ruci oseća te senzacije.“
Nature Biomedical Engineering je nedavno objavio rezultate APL-ovog opsežnog TFTEC istraživanja za takve senzorne primene, koje je uključivalo karakterizaciju na laboratorijskoj skali, ispitivanja sa osobama sa amputacijom i demonstraciju pristupa u stvarnom životu. Studija primećuje da je TFTEC izazvao osećaj hlađenja u fantomskim udovima svih učesnika tokom zadatka detekcije hladnoće, dok je tradicionalna termoelektrična tehnologija to učinila samo u polovini njih – a TFTEC je to učinio osam puta brže i sa tri puta većim intenzitetom. Pored toga, TFTEC je koristio polovinu energije u poređenju sa trenutnim termoelektričnim uređajima.
„Otkrili smo da je TFTEC uređaj bio znatno bolji u stvaranju bržeg i intenzivnijeg hlađenja u poređenju sa tradicionalnim uređajima, iako je ciljna temperatura bila ista“, rekao je Osborn. „I to je pomoglo učesnicima da donose brže odluke i zapažanja.“
Mesta stimulacije na učesnicima testa ostala su ista tokom 48 nedelja testiranja, što sugeriše da bi tehnologija mogla da omogući korisnicima da godinama osećaju temperaturu u rukama koje im nedostaju. Ova vremenska stabilnost zajedno sa nosivom neinvazivnom procedurom su atraktivni za usvajanje u stvarnom svetu.
„Kada smo započeli naš rad u martu 2020. godine, shvatili smo da u samo nekoliko pokušaja možemo da stimulišemo fantomske udove amputiranog“, rekao je Venkatasubramanijan. „Čuli smo učesnike kako govore: „Da, odmah sam osetio hladnoću ovde i trnce tamo.“
APL tim je nastavio da usavršava svoj pristup kroz testiranje na nekoliko pojedinaca sa amputacijom zajedno sa onima sa netaknutim udovima.
Sposobni da generišu realistične i informativne termičke signale za ljudsku percepciju – uz delić energije i veličine u poređenju sa današnjim tehnologijama hlađenja – niskoprofilni, brzi i lagani uređaji čine ih pogodnim za primenu na površini kože bez prepreka koje može uticati na kretanje.
„Bilo je sjajno videti prevođenje ove termoelektrične tehnologije razvijene od APL-a u domen zdravstvene zaštite kroz ovu prvu demonstraciju kod amputiranog“, rekao je David Drevri, biomedicinski inženjer i programski menadžer u okviru APL-ove Nacionalne zdravstvene misije. . „Radujemo se proširenju rezultata u snažnijim kliničkim ispitivanjima i integraciji uređaja u druge nosive faktore oblika koji se mogu lako primeniti pojedincima kojima je potrebna senzorna restauracija ili haptička povratna informacija.
Kati Carneal, biomedicinski inženjer i pomoćnik menadžera programa, biomedicinski inženjer i pomoćnik menadžera programa koji vodi inovativna istraživanja u vezi sa zdravljem u APL-u, vidi ogroman skup budućih aplikacija za minijaturizovanu termoelektričnu tehnologiju. „Postoji toliko načina na koje osećaji pritiska i temperature utiču na ljudsko telo“, rekao je Carneal. „Pored poboljšanja kvaliteta života za amputirane osobe, otvorili smo mnoga istraživačka vrata koja nam mogu pomoći da proučavamo i pronađemo nove tretmane za neuromišićne bolesti ili hronični bol.“
APL je jedinstveno kvalifikovan da unapredi umetnost mogućeg za nove zdravstvene primene istražujući ovaj presek nauke o materijalima i inženjerstva elektronskih uređaja sa biologijom i neuronaukom. Pored programa Revolucionizirajuće protetike, APL čini značajan napredak u istraživanju neuronskih interfejsa, poboljšavajući alate za genomiku i nadgledajući fizički umor kako bi spriječio povrede borca među mnogim drugim napretcima u području Nacionalne zdravstvene misije.
