Naučnici sa Stanforda razvili su meku i rastezljivu elektronsku kožu koja može direktno da razgovara sa mozgom, imitirajući senzornu povratnu informaciju stvarne kože koristeći strategiju koja bi, ako bi se poboljšala, mogla ponuditi nadu milionima ljudi sa protetskim udovima.
„Bili smo inspirisani prirodnim sistemom i želeli smo da ga oponašamo“, rekao je Vajhen Vang, čiji je tim objavio svoj uspeh u časopisu Science. „Možda jednog dana možemo pomoći pacijentima da ne samo da obnove motoričku funkciju, već i da povrate svoje senzacije.“
Potrebna su mnogo brža, veća i sofisticiranija kola pre nego što takozvana „e-koža“ obećava ljudima.
Ali, u prekretnici, uređaj je pokazao izuzetan uspeh kod laboratorijskog pacova. Kada su istraživači pritisnuli e-kožu pacova i poslali elektronske impulse u njegov mozak, životinja je odgovorila trzanjem noge.
Naučnici su dugo sanjali o izgradnji protetskih udova koji ne samo da obnavljaju kretanje, već i obezbeđuju percepciju – na primer, osećaju pritisak, temperaturu i vibracije – kako bi pomogli u obnavljanju normalnijeg kvaliteta života. Oštećenje kože i amputacija izazivaju ogroman poremećaj u percepciji i pokretu, tako da su čak i jednostavni zadaci kao što su osećanje ili hvatanje predmeta izazovni.
„Ako uzmete čašu piva i ne možete da osetite da nije hladno, onda nećete dobiti pravi ukus“, rekao je Ravinder Dahiia, profesor elektrotehnike i računarstva na Univerzitetu Northeastern u Bostonu, koji je takođe proučavanje upotrebe fleksibilne elektronike za razvoj veštačke kože.
Elektronska koža takođe može da se koristi za odevanje robota tako da osećaju senzacije na isti način kao i ljudi. Ovo je kritično za bezbednost industrija u kojima roboti i ljudi imaju fizičke interakcije, kao što je prolaz alata na proizvodnom podu.
Ali osećaj dodira je komplikovan. Ljudska koža ima milione receptora koji osećaju kada je bockana ili pritisnuta, stisnuta ili opečena. Oni reaguju tako što šalju električne impulse u mozak, preko nerava. Mozak reaguje tako što šalje informacije nazad, govoreći mišićima da se kreću.
A biološka koža je meka i može se rastegnuti, više puta, decenijama.
Tim sa Stanforda, predvođen profesorom hemijskog inženjerstva Dženanom Baoom, već nekoliko godina radi na dizajnu e-kože. Ali raniji pokušaj je koristio krutu elektroniku i 30 volti napajanja, što zahteva 10 baterija i nije bezbedno. I nije bio u stanju da izdrži neprekidno istezanje bez gubitka svojih električnih svojstava.
„Prepreka nije bila toliko pronalaženje mehanizama koji bi oponašali izuzetne senzorne sposobnosti ljudskog dodira, već njihovo spajanje koristeći samo materijale nalik koži“, rekao je Bao u izjavi.
Nova e-koža je inovativna jer koristi umrežene slojeve rastezljivih organskih tranzistora koji percipiraju i prenose električne signale. Kada su u sendviču, slojevi su debeli samo oko 25 do 50 mikrona – tanki kao list papira, slični koži.
Njegove mreže deluju kao senzori, projektovani da osete pritisak, temperaturu, naprezanje i hemikalije. Oni pretvaraju ove senzorne informacije u električni impuls.
A e-skin radi na samo 5 volti struje.
Da bi testirao sistem, tim sa Stanforda ga je implantirao u živog pacova. Kada se dodirne e-koža pacova, puls je prenošen žicom do mozga pacova – tačnije, oblasti zvane somatosenzorni korteks, koja je odgovorna za obradu fizičkih senzacija.
Mozak pacova je odgovorio slanjem električnog signala do njegove noge. Ovo je urađeno pomoću uređaja koji pojačava i prenosi signale iz mozga u mišiće, oponašajući veze u nervnom sistemu zvane sinapse.
Pacova noga se trznula. Značajno je da je njegovo kretanje odgovaralo različitim nivoima pritiska, rekao je Vang, doktor inženjerskih nauka. i prvi autor na novom listu. Na primer, tim bi mogao da poveća kretanje noge tako što će jače gurati e-kožu, što je pojačalo frekvenciju signala i izlaz tranzistora.
Ako se testira na ljudima, uređaj ne bi zahtevao implantaciju žice za slanje senzornih informacija u mozak. Umesto toga, tim predviđa korišćenje bežične komunikacije između e-kože i električnog stimulatora koji se nalazi pored nerva.
Džo Mekternan iz Američkog udruženja ortotika i protetika rekao je da takva istraživanja podstiču tehnološki napredak koji bi jednog dana mogao da obezbedi biofeedback u realnom vremenu za ljude koji su izgubili udove.
„Iako je ova tehnologija kože prilično nova, poslednjih godina je bilo značajnog istraživanja i razvoja koji su se fokusirali na stvaranje pozitivnog taktilnog iskustva za pacijenta“, rekao je on.
Sistem zatvorene petlje Stanfordskog tima — od senzacije do pokreta mišića — je „veoma uzbudljiv…u velikoj meri dokaz koncepta“, rekao je stručnjak za bioelektroniku Alehandro Carnicer-Lombarte sa Univerziteta u Kembridžu za časopis Nature.
U oblasti veštačke protetike, većina istraživača teži da radi na pojedinačnim komponentama, rekao je on. „Kombinovanje tih stvari, u nizu, nije trivijalno.“
Dahiia je pozdravio uspeh tima u izgradnji fleksibilne elektronike, a zatim da ih natera da rade. „Tu su uradili dobar posao“, rekao je on.
Ali on je rekao da još uvek nedostaje deo slagalice: stvaranje memorije. Za razliku od Stanfordove e-kože, ljudska koža uči kako se objekat oseća, a zatim ga može predvideti.
Postoji još jedan izazov: prenos signala je trenutno presporo da bi bio koristan. Protok informacija kroz fleksibilne tranzistore zasnovane na ugljeniku je spor u poređenju sa tradicionalnijim tranzistorima zasnovanim na silicijumu, rekao je on.
Takvo odlaganje „neće nam dozvoliti da steknemo pravi osećaj“, rekao je Dahija. „A bez pravog osećaja, onda imate praktično usko grlo.“
Na Stanfordu, sledeći korak je da se više različitih senzora spakuje u e-kožu, kako bi se bliže replicirali brojni osećaji koje oseća ljudska ruka, rekao je Vang.
„Povećavamo se“, rekao je. „Biće naprednije.
„Cela oblast je u razvoju“, rekao je on. „Biće potrebno mnogo više generacija razvoja da bismo ostvarili naš cilj.“
