Как "оживить" потерянные конечности и заставить роботов чувствовать
В последние годы ученые добились немалых успехов в области протезирования: искусственные органы максимально имитируют функции природных и наилучшим образом приживающиеся в организме человека, а технологии мозг-компьютер позволяют легко управлять конечностями. Единственная проблема, которая все еще не решена, - это отсутствие тактильной чувствительности. Создание способной осязать искусственной кожи важно не только в протезировании, но и в области робототехники. Все чаще роботов привлекают к участию в поисково-спасательных операциях. Умение аккуратно обращаться с разными объектами требует быстрого определения структуры их поверхности и допустимого давления. Ведь роботам приходится не только расчищать завалы, но и извлекать из-под них раненых людей, которые, как правило, без сознания. Механическому спасателю необходимо постоянно чувствовать, что он держит в руках, и точно дозировать усилия.
Необходимы тактильные ощущения и роботам, участвующим в космических миссиях. По фотографиям сложно определить характер поверхности планеты на предстоящем участке пути и зачастую марсоходы завязают в податливом грунте, после чего у них блокируются колеса. Если запускать вперед роботов с "чувствительными" конечностями, можно будет проложить для дорогой техники оптимальный путь.
Имитация человеческого восприятия при помощи электроники - задача чрезвычайно сложная. Кожа человека оснащена множеством сенсоров, воспроизвести которые чрезвычайно сложные. Но самое главное, нужно связать тактильные ощущения с мозгом - чтобы не только чувствовать прикосновения, но и идентифицировать предмет, к которому прикасаются пальцы в искусственной коже.
Первый серьезный шаг на пути к созданию чувствительной кожи сделали исследователи из Национального университета Южной Кореи. Они создали материал с множеством полимерных волосков, очень чутко реагирующих на прикосновения, даже более чутко, чем природная кожа человека. Однако на этом достоинства материала заканчиваются: прикасаясь к поверхности, он не распознает ее состав, рельеф и т.п. Немного дальше продвинулась американская компания Syntouch, которая разработала искусственную кожу для изготовления чувствительных роботизированных пальцев BioTac. Материал основан на системе микродатчиков, реагирующих на температуру поверхности и различающих свыше ста различных текстур. Проблема в том, что из-за относительно низкой плотности расположения чувствительных элементов "ощупывание" занимает довольно много времени. Кроме того, кожа человека в шестьдесят раз чувствительнее. Впрочем, для роботов-манипуляторов, в обязанности которых входит в основном перемещение предметов, этого достаточно.
В активе мировой науки также электронная кожа, или e-skin, созданная в Университете штата Калифорния в Беркли. Ее разработали для роботов, которые выполняют операции, требующие особой "чуткости" и осторожных прикосновений, а также для обеспечения чувства осязания в протезах. Покрытие, обладающее эластичностью и прочностью настоящей кожи, состоит из крошечных нанополупроводников.
E-skin может определять форму предмета, его температуру и передавать сигнал: материал позволяет не только прикасаться к объектам, но и чувствовать уровень давления на них. Для роботов-спасателей технология безупречна, но в область протезирования она не вносит ничего нового. Большинство бионических протезов имеют связь только в одну сторону - передают команды от человека к протезу. И если обернуть искусственную конечность в e-skin, при всей своей чувствительности, она не способна передать мозгу информацию о структуре объекта.
Приблизиться к решению этой задачи удалось недавно южнокорейским исследователям из Института фундаментальных наук и Национального университета Сеула, которые разработали материал, способный чувствовать давление, тепло и влажность. Облаченные в такую кожу протезы выполняют такие сложные операции, как работа на клавиатуре, способны держать чашку с горячим или холодным напитком, определять сухих и влажные поверхности и т. п.
Основой такой кожи является гибкий и эластичный силиконовый материал - полидиметилсилоксан. В его структуре есть гибкие спирали из кремниевой наноленты, которые при растяжении или деформации вырабатывают электрический ток, обеспечивая осязательную электрическую обратную связь. Кроме того, кремний меняет свои электрические характеристики в ответ на изменение температуры, что позволяет при помощи тех же кремниевых нанолент достаточно точно определять температуру объекта прикосновения.
Материал также снабжен конденсаторами, выступающими в роли датчиков влажности. Принцип работы основан на физических законах: когда полимер, окружающий конденсатор, поглощает воду, влага меняет свойства полимера в отношении сохранения заряда. Конденсаторы измеряют заряд, устанавливая уровень влажности окружающей среды. Такая кожа может использоваться не только для роботов манипуляторов, но и для протезов нового поколения с обратной связью. Протез в электронной коже, связанный с центральной нервной системой, будет восприниматься человеком как "родной" орган.
Новейшая, самая впечатляющая разработка в сфере создания искусственной кожи, принадлежит ученым из Стэндсфордского университета. Материал, способный вернуть человеку естественное чувство осязания, представляет собой набор электронных датчиков, посылающих в мозг такие же импульсы, как и настоящая кожа человека. Статья, посвященная этой инновации, опубликована в новом журнале Science.
Новый материал состоит из двух слоев. Верхний отвечает за механическую чувствительность и способен определять как легкие касания, так и твердое рукопожатие, а нижний передает электрические сигналы и преобразовывает их в совместимые с нервными клетками биохимические раздражители. То есть, материал способен определять давление и одновременно передавать сигнал компонентам нервной системы.
Возглавившая разработку профессор химической инженерии Стэнфордского университета Чженань Бао рассказывает, что ранее сигнал от сенсоров, "чувствующих" давление, должен был проходить через компьютер или микроконтроллер, которые преобразовывали его для дальнейшей передачи импульса в мозг. Такой способ передачи информации сложный, кроме того, по пути сигнал искажается. Новый материал позволяет исключить лишнее звено в процессе транспортировки импульса.
Причем ученые нашли способ передачи сигналов в мозг без вживления в него повреждающих ткани металлических электродов: электронные импульсы от датчиков осязания направили к светодиоду, а он конвертировал их в поток поступающих к мозгу импульсов синего света. Эксперименты проводили на мышах, которым предварительно изменили соматосенсорную кору мозга таким образом, что она стала поглощать синий свет и адекватно реагировать на поступающие с ним данные. Теперь осталось адаптировать технологию к организму человека. Как только ученые найдут методику долгосрочной безопасной передачи электрических сигналов к мозгу от искусственной кожи, можно будет говорить о начале разработки полноценных чувствительных протезов нового поколения. В частности,
Искусственная кожа будет отличать различные по характеру воздействия, например, прикосновение вельвета и шелка. В перспективе технология позволит создавать протезы, способные передавать максимальный спектр ощущений. Кроме того, ученые надеются, что чувствительность протезов позволит облегчить фантомные боли, от которых страдают порядка 80% людей с ампутированными конечностями.
