Umělá kůže pro protézy napodobuje bolest: Chrání uživatele před zraněním a zlepšuje kvalitu života

Protetické končetiny sice pomáhají lidem znovu stát, chodit nebo běhat, ale často nedokážou včas upozornit na nadměrný tlak, který vyvíjí objímka protézy na pahýl končetiny. Takový tlak může vést k nepohodlí, zánětům, vředům a ovlivnit rovnováhu i pohyb.

Protetické končetiny sice pomáhají lidem znovu stát, chodit nebo běhat, ale často nedokážou včas upozornit na nadměrný tlak, který vyvíjí objímka protézy na pahýl končetiny. Takový tlak může vést k nepohodlí, zánětům, vředům a ovlivnit rovnováhu i pohyb. Vědci z Číny nyní vyvinuli bioinspirovaný senzor, který dokáže lokalizovat tlak a identifikovat vzorce, jež by mohly signalizovat poškození tkáně.

Tento prototyp není kompletní protetická končetina, ale vrstva senzorů navržená tak, aby se umístila uvnitř objímky, mezi protézu a pahýl. Funguje jako umělá kůže, která monitoruje, kde, jak silně a jak dlouho objímka tlačí. Krátký, neškodný tlak je zpracován jako běžný dotyk. Tlak, který však přetrvává, opakuje se nebo se hromadí na několika místech, může spustit včasné varování, že tkáň je ohrožena.

Senzor využívá dvě doplňkové cesty: haptickou cestu, která rychle hlásí umístění a intenzitu tlaku, a cestu inspirovanou bolestí, která kombinuje signály v čase a napříč snímacími body. Systém používá materiál citlivý na tlak a tranzistory podobné synapsím, jejichž reakce se mohou měnit podle dříve přijatých signálů. To dává systému jednoduchou formu paměti. Po vstupu podobném zranění se jeho varovná reakce stává citlivější, takže slabší tlak může později vyvolat silnější odezvu.

„Zařízení necítí bolest ani ji uživateli nezpůsobuje,“ uvedl hlavní autor Huaping Wu, strojní inženýr z Zhejiang University of Technology. „Místo toho reprodukuje vybrané funkce zpracování informací spojené s nocicepcí, včetně prahů stimulace, časové a prostorové sumace, paměti a senzibilizace.“ Biologická bolest je mnohem složitější, zahrnuje nervy, míchu, mozek, emoce a vědomý prožitek. Zařízení produkuje funkční varování, nikoli bolest.

Vědci nejprve umístili pole čtyř senzorů na robotickou ruku. Systém vyhodnotil tlak 10 kilopascalů aplikovaný po dobu 0,21 sekundy jako neškodný. Když stejný tlak trval 0.49 sekundy, signál se nahromadil, překročil varovný práh a ruka se stáhla. Po této události podobné zranění způsobil stejný tlak stažení již za 0,06 sekundy, což napodobilo zvýšenou citlivost těla po zranění.

Tým poté umístil senzory do protetických objímek tří účastníků s amputací pod kolenem a zaznamenával tlak, když seděli, chodili, stoupali po schodech, skákali a běhali. Čtyři snímací body byly umístěny na místech náchylných k tlaku, vybraných na základě anatomie a zpráv účastníků o každodenním nepohodlí. Během běhu zařízení detekovalo nadměrné zvedání kyčle, které pomáhalo protetické noze překonat zem. To vedlo k nerovnoměrnému zatížení a zvýšenému tlaku na přední část pahýlu. Zpětná vazba ze systému pomohla účastníkům upravit chůzi a snížit nadměrný pohyb kyčle.