《星際大戰》中的絕地武士路克•天行者 (Luke Skywalker)在與達斯•維達(Darth Vader)的一次交鋒中失去了右手,接上高科技義肢後仍然跟真正的手一樣靈活自如,而且指尖和手掌可以感受到針尖的刺痛。這一幕正逐漸成為現實。

為什麼義肢需要痛覺?

如果想讓義肢感受葡萄的軟度或者手的溫度,這很容易理解。但是,為什麼需要感覺痛?

20180706NT02P1 (圖片來源:DARPA)

實際上,疼痛這種感覺很有用,它就像一個訊號說,「嘿,小心!」。皮膚中的疼痛覺測器能保護身體免受高溫或利具的傷害。同樣,截肢者可以依靠對疼痛的感知、利用疼痛訊號來保護義肢免受損壞。

人們有時候還會無意識地把義肢當作工具使用。要知道損壞義肢有可能代價慘重,因為一些義肢的費用超過70,000美元。

義肢痛覺需要哪些技術實現?

哪些技術能讓義肢模仿皮膚的天然能力,感知並傳遞疼痛覺呢?

「e-dermis」系統

最近在《科學機器人》上發表的一篇論文中,約翰霍普金斯大學(JHU)教授Nitish Thakor與研究生Luke Osborn描述了他們正在研發的「e-dermis」系統和初始測試結果。e-dermis可讓義肢感知和傳遞疼痛覺,也許在不久的將來,義肢可以跨越機器與人體的界線,為眾多義肢患者帶來更為人性化的感知。

20180706NT02P2 (圖片來源:Osborn等提供)

不具備觸覺回饋或知覺的義肢不能分辨物體的粗糙、光滑、尖銳,以及冷熱。為了克服這些缺陷,JHU的研究人員透過模仿疼痛在人體自然皮膚上的作用方式開發出e-dermis系統。具體來說,e-dermis系統類比皮膚內稱為傷害感受器的神經細胞處理疼痛的方式,並利用機械感受器將產生的訊號傳遞給大腦進行加工(要知道,當人們的傷處感到疼痛時,真正的疼痛覺是由大腦產生)。

Thakor稱,真正的皮膚由多層受體組成,那些感測層以不同的方式對壓力作出反應:一些對刺激作出快速反應,另一些反應則稍慢。e-dermis是一種電子皮膚,也有許多層(由壓阻和導電織物製成,當然不是不同類型的細胞),以感知和測量壓力。

來自e-dermis的壓力資訊被轉換成類似神經元的脈衝,然後透過微小的電刺激將類神經元訊號傳遞給截肢者皮膚中的外周神經,以引起壓力感,即疼痛覺。

JHU團隊在一位不願透露姓名的截肢患者身上做了一系列測驗。這名29歲男子在實驗中會感受到壓力、指尖的敲擊,甚至是引起疼痛感覺的物體,他可以分辨出非痛苦和痛苦的觸覺感知之間的區別,包括物體的曲率變化和尖銳的邊緣。這位參與者描述:「許多年後,我又感覺到了自己的手,就好像一個空殼再次充滿了生命。」研究團隊發現,在這個過程中,以特定頻率提供的適量電流不僅會引發觸覺,而且會帶來痛苦感。

**電子皮膚感測器

上述e-dermis系統實際上就是電子皮膚。電子皮膚的概念並不新鮮。劉慈欣的科幻小說《三體》中就描繪過這種增強現實的電子皮膚。

電子皮膚能感知到壓力、被割傷時能自癒,且能處理感知的資料。這是未來有一天義肢能夠與神經系統相連並傳送觸覺的關鍵一步。即使這個目標暫時還不能實現,但這種柔軟且附著力好的電子皮膚也可以讓截肢患者及燒傷患者進行更多的日常工作,比如撿起一些小東西,而且這種皮膚很可能幫助患者減輕幻肢痛。

電子皮膚的感測器透過放置在皮膚上的電極連接到佩戴者的假體上,而且與真正的神經傳遞訊號的方式相似。根據電子裝置傳遞的不同脈衝模式,電子皮膚能夠傳遞從輕觸到疼痛的一系列感覺。

史丹佛大學(Stanford University)鮑哲南(Zhenan Bao)團隊研製了一種觸覺感測器,混入導電的碳材料,當材料受力時,導電橡膠膜中的電壓就會發生改變。課題組發現,用特定模式的微尺度錐體覆蓋觸覺感測器能夠增加它們的觸覺敏感度——就像指紋上的螺旋一樣。根據這種設計做出來的感測器與手部的皮膚一樣敏感。課題組還將電晶體、電引線和其他元件印在橡膠皮膚上,做成有彈性的電流回路,把觸覺感測器上的資料傳遞到義肢手部。如下圖所示,在顯微鏡下,觸覺感測器上細小的角錐體清晰可見。這些50μm寬的特色結構增進了敏感度,就像隆起的指紋一樣。

20180706NT02P3 (圖片來源:MIT Technology Review)

下圖中木製假手上的每個指尖都裝上了有彈性的觸覺感測器,與它們連著的電線能將數據傳往手掌中靈活的電子控制中心。

20180706NT02P4 (圖片來源:MIT Technology Review)

電子皮膚材料

有人說石墨烯是一種萬能材料,這個說法雖然誇張,卻也有一些道理,比如格拉斯哥大學(University of Glasgow)的研究團隊研究出的石墨烯電子皮膚就可以讓義肢產生觸覺。這種新型的電子皮膚由單層石墨烯製成,與碳片組成具有延展性和韌性的結合材料,最後再與太陽能電池結合來實現導電和充電。

加入了這一層皮膚的義肢在開啟了皮膚功能之後可以控制抓取物體的力道,即便是易碎的雞蛋也可以穩穩地拿起和放下,但如果沒有這一層皮膚,就立刻失去了應有的按壓回饋,最終導致抓取物品力道難以控制甚至發生意外。

與此同時,鮑哲楠團隊正在研發一些更奇妙的材料。其中的一種高分子材料模擬了人體皮膚兩個最重要的特徵:伸縮和自癒,比人的皮膚更有彈性,能被拉伸到自身長度的100倍而不受損壞。這種材料被割傷時可以自動癒合,並不需要加熱或其他觸發物,它還能作為一種較弱的人造肌肉,在施加電場時延展或收縮。

20180706NT02P5 (圖片來源:MIT Technology Review)

讓義肢感覺痛成為現實有哪些障礙?

1.從基礎學科的角度,新材料的設計需要更好的電學功能和力學功能;

2.從製程角度上,需要進一步實現更複雜、更大型的積體電路方式;

3.從應用角度來看,從實驗室到大規模生產再到商業化應用還有很長的路。

總結

疼痛當然不會令人愉悅,但對截肢患者來說,適當的疼痛卻是他們長久以來的盼望。理想的假體允許使用者保持完全的控制,並在需要時選擇「關閉疼痛反應」。JHU及其他義肢觸覺項目的研究人員正在尋求更加逼真的電子皮膚材料、感測器,以及義肢觸覺傳輸方式,希望有一天可以達到真實的皮膚體驗。

(本文部分資料參考MIT Technology Review和IEEE SPECTRUM。)