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(lái)的主流佩戴者帶來(lái)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(lái)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(méi)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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題是模擬觸摸的感覺(jué)。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(guò)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(guò)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(lái)模擬擰緊螺母和螺栓的感覺(jué)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(lái)觸覺(jué)，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(guò)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(guò)開發(fā)具有人工智能軟件的可穿戴生物傳感器來(lái)進(jìn)行這種復(fù)雜的模擬 。據(jù)說(shuō)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(lái)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(guò)其骨整合過(guò)程，其假肢比基本的插座版本更舒適。