Вчені створили протез шкіри, який реалістично відтворює біль

Протези допомагають людям після ампутацій знову ходити, бігати та вести активний спосіб життя, однак вони не завжди можуть повідомити про надмірний тиск на куксу кінцівки. Постійне або нерівномірне навантаження в місці контакту протеза з тілом може спричиняти біль, запалення та навіть утворення виразок.

Китайські науковці запропонували розв'язання цієї проблеми, створивши біоінспіровану сенсорну "штучну шкіру". Вона імітує окремі механізми обробки больових сигналів і може завчасно попереджати про потенційно небезпечний тиск, пише ScienceAlert.

Штучна шкіра реагує на небезпечне навантаження

Свою розробку науковці описали в журналі Cyborg and Bionic Systems. Пристрій не є повноцінним протезом, це спеціальний сенсорний шар, який розміщується всередині гільзи – між протезом і залишковою частиною кінцівки.

Система постійно контролює, де саме виникає тиск, наскільки він сильний і як довго триває. Короткочасне навантаження вона сприймає як звичайний дотик, проте тривалий, повторюваний або поширений на кілька ділянок тиск може активувати сигнал попередження.

Технологія працює завдяки двом паралельним механізмам. Перший швидко визначає місце та силу натискання, а другий аналізує, як сигнали накопичуються в часі та поширюються між різними сенсорними точками.

Для цього дослідники використали матеріал, чутливий до тиску, а також транзистори, що нагадують за принципом роботи синапси нервової системи. Такі компоненти можуть змінювати свою реакцію залежно від попередніх сигналів, створюючи своєрідний ефект пам'яті.

Водночас автори розробки наголошують: пристрій насправді не відчуває біль і не викликає больових відчуттів у людини. Він лише відтворює деякі принципи ноцицепції – процесу, за допомогою якого нервова система розпізнає потенційно шкідливі подразники.

Сенсор уже випробували на роботі та людях

Спочатку систему протестували на роботизованій руці з чотирма сенсорами. Тиск силою 10 кілопаскалів, який тривав лише 0,21 секунди, система визнала безпечним. Однак коли такий самий вплив продовжувався до 0,49 секунди, сигнал накопичувався, перевищував поріг небезпеки, після чого роботизована рука відсмикувалася.

Після такого умовного травмувального сигналу система ставала більш чутливою. За повторного впливу такого самого тиску рука реагувала вже через 0,06 секунди, що нагадує підвищену чутливість людського організму після травми.

Пізніше сенсори встановили у протези трьох людей з ампутацією нижньої кінцівки нижче коліна. Дослідники фіксували навантаження під час сидіння, ходьби, підйому сходами, стрибків і бігу.

Під час бігу система, зокрема, змогла виявити неправильний рух – надмірне підіймання стегна для того, щоб протезована стопа не зачіпала землю. Така особливість ходи створювала нерівномірне навантаження та посилювала тиск на передню частину залишкової кінцівки. Отриманий зворотний зв'язок допоміг учасникам скоригувати рухи та зменшити небажане навантаження.

За результатами випробувань система правильно розпізнала 86,4% короткочасних епізодів дискомфорту та 90,9% тривалих. У майбутньому така технологія може допомогти користувачам протезів вчасно змінити положення тіла, скоригувати ходу або звернутися до фахівця для перевірки гільзи.

Розробка поки що перебуває на ранньому етапі. Нинішній прототип має дротову конструкцію, тому його ще потрібно перетворити на компактну бездротову систему з низьким енергоспоживанням.

Науковцям також необхідно перевірити, наскільки пристрій буде надійним у повсякденному використанні – за умов потіння, зміни температури, постійних навантажень і деформації гільзи протеза. Крім того, потрібні масштабніші та триваліші дослідження за участю людей із різними типами ампутацій.

Якщо технологія підтвердить свою ефективність, штучна сенсорна шкіра зможе стати важливим інструментом для захисту тканин. Вона потенційно дозволить виявляти небезпечний тиск ще до того, як звичайний дискомфорт перетвориться на травму.

OBOZ.UA писав раніше, що науковці виявили новий людський орган, що знаходиться у черепі.

Підписуйтесь на канали OBOZ.UA в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх подій.