Ученые создали протез кожи, который реалистично воспроизводит боль

Протезы помогают людям после ампутаций снова ходить, бегать и вести активный образ жизни, однако они не всегда могут сигнализировать о чрезмерной нагрузке на культю конечности. Постоянная или неравномерная нагрузка в месте соприкосновения протеза с телом может вызывать боль, воспаление и даже образование язв.

Китайские ученые предложили решение этой проблемы, создав биоинспирированную сенсорную "искусственную кожу". Она имитирует отдельные механизмы обработки болевых сигналов и может заблаговременно предупреждать о потенциально опасной нагрузке, пишет ScienceAlert.

Искусственная кожа реагирует на опасную нагрузку

Свою разработку ученые описали в журнале Cyborg and Bionic Systems. Устройство не является полноценным протезом, это специальный сенсорный слой, который размещается внутри гильзы – между протезом и остаточной частью конечности.

Система постоянно контролирует, где именно возникает давление, насколько оно сильное и как долго длится. Кратковременную нагрузку она воспринимает как обычное прикосновение, однако длительное, повторяющееся или распространенное на несколько участков давление может активировать предупреждающий сигнал.

Технология работает благодаря двум параллельным механизмам. Первый быстро определяет место и силу нажатия, а второй анализирует, как сигналы накапливаются во времени и распространяются между различными сенсорными точками.

Для этого исследователи использовали материал, чувствительный к давлению, а также транзисторы, напоминающие по принципу работы синапсы нервной системы. Такие компоненты могут изменять свою реакцию в зависимости от предыдущих сигналов, создавая своеобразный эффект памяти.

В то же время авторы разработки подчеркивают: устройство на самом деле не испытывает боли и не вызывает болевых ощущений у человека. Оно лишь воспроизводит некоторые принципы ноцицепции – процесса, с помощью которого нервная система распознает потенциально вредные раздражители.

Сенсор уже испытали в действии и на людях

Сначала систему протестировали на роботизированной руке с четырьмя датчиками. Давление силой 10 килопаскалей, которое длилось всего 0,21 секунды, система признала безопасным. Однако когда такое же воздействие продолжалось до 0,49 секунды, сигнал накапливался, превышал порог опасности, после чего роботизированная рука отдергивалась.

После такого условного травмирующего сигнала система становилась более чувствительной. При повторном воздействии такого же давления рука реагировала уже через 0,06 секунды, что напоминает повышенную чувствительность человеческого организма после травмы.

Позже датчики установили в протезы трёх человек с ампутацией нижней конечности ниже колена. Исследователи фиксировали нагрузку во время сидения, ходьбы, подъема по лестнице, прыжков и бега.

Во время бега система, в частности, смогла выявить неправильное движение – чрезмерное поднимание бедра для того, чтобы протезированная стопа не касалась земли. Такая особенность походки создавала неравномерную нагрузку и усиливала давление на переднюю часть остаточной конечности. Полученная обратная связь помогла участникам скорректировать движения и уменьшить нежелательную нагрузку.

По результатам испытаний система правильно распознала 86,4 % кратковременных эпизодов дискомфорта и 90,9 % длительных. В будущем такая технология может помочь пользователям протезов вовремя изменить положение тела, скорректировать походку или обратиться к специалисту для проверки гильзы.

Разработка пока находится на ранней стадии. Нынешний прототип имеет проводную конструкцию, поэтому его еще предстоит превратить в компактную беспроводную систему с низким энергопотреблением.

Ученым также необходимо проверить, насколько устройство будет надежным в повседневном использовании – в условиях потоотделения, перепадов температуры, постоянных нагрузок и деформации гильзы протеза. Кроме того, требуются более масштабные и длительные исследования с участием людей с различными типами ампутаций.

Если технология подтвердит свою эффективность, искусственная сенсорная кожа сможет стать важным инструментом для защиты тканей. Она потенциально позволит выявлять опасное давление еще до того, как обычный дискомфорт превратится в травму.

OBOZ.UA ранее писал, что ученые обнаружили новый человеческий орган, расположенный в черепе.

Подписывайтесь на каналы OBOZ.UA в Telegram и Viber, чтобы быть в курсе последних событий.