前沿 | 假肢有触觉和痛感？逆天黑科技 - 多层神经形态真皮

近日，一种具有触觉和痛感的多层神经形态真皮假肢被开发出来并被文献报道 (Prosthesis with neuromorphic multilayerede-dermis perceives touch and pain)，这篇文献发表于2018年6月20日最新一期的Science Robotics杂志。该项研究成果为约翰霍普金斯大学和新加坡国立大学联合研究的最新进展。

一. 研究背景

假肢是为弥补截肢者而专门制作设计的人工假体，从而代替失去假体的部分功能，使截肢者恢复一定的生活自理能力和工作能力。

假肢目前在运动控制上有了长足的进步，比如利用局部力反馈技术改善假肢的抓取能力，通过脑机接口控制假肢手的移动与抓取等动作，然而现有假肢尚没有全面的感觉知觉。

全身瘫痪患者利用脑机接口控制假肢手完成握手

通过意念控制的机械假肢LUKE

触觉作为体感系统的重要一部分，而现有假肢无法完整恢复截肢患者的丧失的感觉反馈功能，人工触觉传感器成为当前假肢研究的热点方向。

二. 主要结构及功能实现

1. 电子真皮模拟

皮肤上主要触觉感受器包括麦氏触觉小体（Meissner corpuscles）、梅克尔细胞（Merkel cells）、鲁菲尼氏小体（Ruffini endings）以及环层小体（Pacinian corpuscles）。

主要触觉感受器位置分布图

麦氏触觉小体和梅克尔细胞

鲁菲尼氏小体和环层小体

这些机械受体在真皮中处于特定位置，根据触觉受体的自然分层进行多层神经形态真皮的模拟。

橡胶层用于模拟皮肤在抓取时的摩擦力，同时通过压阻式电阻和导电纺织层测量真皮表面的压力。每个指尖有面积为1.5cm²的电子真皮，其压力测量范围从0~300KPa。

2.触觉及痛觉的模拟

在进行截肢手术后，由于人体自我修复功能，在截肢周围会新生长出神经。通过定向经皮电刺激可以测量到正中神经和尺神经部位引起的加收相应的激活区域。研究人员对受试者进行了超过150个感官刺激实验，截肢者可通过电刺激识别幻肢手的多个单独激活区域。

除了进行感觉刺激实验外，受试者还进行了超过25小时的触觉映射实验，受试者从-1（愉快）-10（非常强烈的疼痛感）对感受到的疼痛感进行打分，以量化不同等级的触觉。通常情况下，我们认为电刺激主要为压力感觉，同时伴有一些刺痛的感觉。

量化实验结果显示，在相对较低的频率范围(频率为10-20hz)，较高脉冲宽度触觉感受到最为强烈的疼痛感。同时研究人员通过分析受试者的脑电图信号(EEG)对相关刺激进行定位，确认受试者的疼痛感确实有幻肢手引起。

3.假肢触觉反馈与疼痛反射控制机制

假肢作为身体的延伸，应具有与健康手相似的行为及功能。当发现疼痛时，假肢手可以做出由握住到松开的反射动作以避免受到进一步伤害，且该反射将根据感受到的疼痛等级进行调节。本工作采用压力分布、接触率及每个手指激活感受器个数作为线性判断标准算法的输入特征，从而控制假肢手对不同疼痛等级做出不同反射。

研究人员让假肢手抓取三种不同曲率的物体从而验证假肢手的疼痛反馈机制▼

在接受无害性刺激时，假肢手能够稳定可靠地握住物体。而当检测到疼痛时，假肢手的疼痛反射会使手张开。记录假体感受疼痛后完成疼痛反射所需的时间，已经和健康人的反应时间接近。

三、应用前景展望

本工作的成功，无疑是截肢患者的福音。他们将彻底告别传统无感觉假肢，而获得更为完整真实的功能恢复及体验。截肢者获得的感觉越多，其越可能完全接受假肢，大大提高假肢佩戴的接受程度。同样，刺痛感的获得对于提高患者安全性也有帮助。此外，具有触感及反射能力的机械手在机器人辅助手术等领域有望产生更好的表现，带来手术过程的进步。

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