Сенсор с солёной водой может приблизить протезы к способности чувствовать прикосновения
Учёные Орхусского университета в Дании создали мягкий сенсор, который преобразует прикосновение в электрический сигнал по принципу, напоминающему работу рецепторов человеческой кожи. Вместо обычной электронной схемы устройство использует движение заряженных частиц в растворе соли. В перспективе такая технология может помочь создавать протезы конечностей, способные передавать информацию о прикосновении непосредственно нервной системе.
Устройство размером примерно с небольшую чечевицу изготовлено из мягкого материала, похожего на силикон. Его толщина составляет около 400 микрометров. Внутри находятся заполненные раствором хлорида натрия микроскопические полости, соединённые узким каналом.
На стенках канала возникает электрический заряд, поэтому ионы соли распределяются внутри жидкости неравномерно. Когда на поверхность сенсора нажимают, давление заставляет раствор перемещаться через микроканал. Вместе с жидкостью движутся и заряженные частицы, что создаёт небольшое электрическое напряжение.
После прекращения давления эластичная мембрана возвращается в исходное положение, жидкость движется в обратную сторону, а электрический сигнал меняет направление и постепенно исчезает. По форме получающийся импульс напоминает некоторые особенности работы настоящих механорецепторов — клеток, которые позволяют человеку ощущать прикосновение и давление.
Авторы подчёркивают, что они не пытались полностью воспроизвести живую сенсорную клетку. Их задача заключалась в том, чтобы повторить один из основных принципов биологического восприятия — преобразование механического воздействия в электрический сигнал с помощью движения ионов.
Сенсор не требует внешнего источника питания непосредственно для формирования сигнала. Электрическое напряжение возникает за счёт движения солевого раствора внутри микроканала. Это отличает разработку от многих традиционных датчиков давления, использующих электронные или пьезоэлектрические преобразователи.
Исследователи установили, что характеристики сенсора сильно зависят от концентрации соли и размеров микроканала. Наибольшее выходное напряжение в испытанной конфигурации получили при концентрации хлорида натрия около 5 миллимолей на литр.
Анализ сигнала также выявил выраженный пик около 442 герц. Этот диапазон совпадает с областью чувствительности телец Пачини — расположенных в коже механорецепторов, особенно хорошо воспринимающих быстрые вибрации. Авторы рассматривают это сходство как ещё один признак того, что принцип работы устройства приближен к биологическим сенсорным системам.
Для демонстрации разработчики установили сенсор на палец мягкой искусственной кисти. Когда человек касался этого пальца, устройство регистрировало воздействие и вырабатывало отчётливый электрический сигнал.
Чувствительности хватило даже для измерения пульса. Учёные поместили палец искусственной кисти с датчиком над лучевой артерией на запястье человека. Сенсор смог зарегистрировать небольшие периодические движения кожи, вызванные сердцебиением. После обработки сигнала характерная форма пульсовой волны была хорошо различима.
Однако до протеза, позволяющего человеку действительно чувствовать прикосновения, ещё далеко. Нынешнее устройство не подключалось к нервам и не использовалось для стимуляции нервной системы.
По оценке исследователей, для непосредственного возбуждения нервной клетки сигнал должен достигать примерно 20 милливольт. Прототип пока выдаёт меньшее напряжение. Один из следующих этапов работы — увеличить его без использования внешнего усилителя, например изменив свойства поверхности микроканалов.
После этого разработчикам предстоят дополнительные лабораторные исследования, а затем испытания сначала на животных и только потом на людях. По оценке руководителя проекта Рассоула Табассиана, до практического применения технологии в протезах потребуется ещё несколько лет.
Помимо искусственных конечностей, подобный принцип в будущем может использоваться в электронной коже, мягкой робототехнике, имплантируемых датчиках давления и системах, непосредственно взаимодействующих с нервной системой.
Исследование в журнале Advanced Functional Materials.