Uma nova "pele" de plástico pode detectar o quão difícil é pressionado e gerar um sinal elétrico para fornecer informações sensoriais diretamente para uma célula no cérebro vivo.

O trabalho é mais um passo na replicação de um aspecto de toque, o mecanismo sensorial que nos permite distinguir a diferença de pressão entre um aperto de mão fraco e um aperto firme.



Zhenan Bao, professor de engenharia química na Universidade de Stanford, passou uma década tentando desenvolver um material que imita a capacidade da pele para flexionar e curar, mas também para servir como um sensor de rede que transmite os sinais de toque, temperatura e dor para o cérebro.

Finalmente você quer criar um tecido flexível eletrônico, integrado com sensores podem cobrir uma prótese e replicar algumas das funções sensoriais da pele.

"Esta é a primeira vez que um material semelhante ao da pele flexível é capaz de detectar a pressão e também transmitir um sinal para um componente do sistema nervoso" diz Bao.

Bilhões de nanotubos de carbono

O coração da técnica é uma construção de plástico de duas camadas: a camada superior cria um mecanismo de detecção e a camada inferior actua como um circuito para transportar sinais eléctricos e traduzi-las em estímulos bioquímicos compatíveis com células nervosas.

A camada superior no novo trabalho apresenta um sensor capaz de detectar a pressão na mesma gama que a pele humana, por uma luz torneira para um aperto de dedo.

Cinco anos atrás, os pesquisadores primeiro descreveu como usar plásticos e borrachas, tais como sensores de pressão medem a elasticidade natural de suas estruturas moleculares. Eles, então, aumentou esse retorno naturais sensibilidade à pressão de um plástico fino padrão de wafer, que comprime ainda mais molas de plástico molecular.

Para aproveitar essa pressão recurso de detecção electrónica, a equipe espalhados bilhões de nanotubos de carbono através do plástico vacilou. Colocando pressão sobre o plástico comprime os nanotubos mais juntos e que lhes permite conduzir eletricidade.

Isto permitiu que o sensor de plástico para imitar a pele humana, que transmite a informação para a pressão do cérebro como impulsos curtos de energia eléctrica, semelhante ao código Morse. Aumentando a pressão sobre os nanotubos coscorão aperta ainda mais perto, permitindo que mais energia flua através do sensor, e os impulsos são enviados vária forma de impulsos curtos para o mecanismo de detecção.

Retire a pressão eo pulso fluxo relaxa, indicando leve toque. Remova toda a pressão e impulsos cessam completamente.

Eletrônicos flexíveis

A equipa em seguida ligado a este mecanismo de detecção de pressão para a segunda camada de pele artificial, um circuito electrónico flexível que podia levar os pulsos de energia eléctrica para as células nervosas.

Os pesquisadores desenvolveram eletrônica flexível que pode dobrar sem quebrar. Para o novo projeto, eles trabalharam com pesquisadores do PARC, uma empresa Xerox, que tem uma tecnologia que usa uma impressora jato de tinta para depositar circuitos em plástico flexível.

Cobrindo uma grande área é importante para fazer a pele artificial prático, e colaboração PARC ofereceu esta perspectiva.

Finalmente, a equipe para provar que tinha o sinal electrónico pode ser reconhecido por um neurónio biológica. Fê-lo através da adaptação de uma técnica que combina genética e óptica, chamada optogenética.

Pesquisadores bioengineer células para torná-las sensíveis a frequências específicas de luz, em seguida, usar pulsos de luz para mudar as células, ou processos dentro deles, dentro e fora.

Água fria ou café quente

Para a nova experiência os membros da equipa concebida uma linha de neurónios para simular uma parte do sistema nervoso humano. Eles traduziram os sinais de pressão da pele artificial eletrônica em pulsos de luz, que ativam neurônios, o que demonstra que a pele artificial pode gerar uma saída compatível com as células nervosas sensoriais.

Optogenetics tem sido utilizado apenas como uma prova de conceito experimental outros métodos para estimular os nervos são susceptíveis de ser utilizados em dispositivos protéticos real. A equipe já demonstrou que a estimulação direta dos neurônios com impulsos elétricos pode.

A equipe de Bao inclui o desenvolvimento de vários sensores para replicar, por exemplo, a capacidade de distinguir veludo contra seda, ou um copo de água fria a um copo de café quente, mas isso vai levar tempo. Existem seis tipos de mecanismos de monitoramento na mão humana biológica, e os relatórios da experiência de sucesso em apenas um deles.

Mas a atual abordagem de duas camadas significa que a equipe pode adicionar sensações como ele se desenvolve novos mecanismos. E o processo de tinta para impressão com jacto de fabrico sugere como uma rede de sensores pode ser depositado sobre uma camada flexível e dobrada sobre um lado da prótese.

"Nós temos um monte de trabalho para tirar isso de experimental para aplicações práticas", diz Bao. "Mas depois de passar muitos anos neste trabalho, agora vejo um caminho claro que podemos levar a nossa pele artificial."

Benjamin C.-K. Tee, Alex Chortos, Andre Berndt, Amanda Kim Nguyen, Ariane Tom, Allister McGuire, Ziliang Lin Carter, Kevin Tien, Gyu Won-Bae, Huiliang
Um mecanorreceptores orgânicos pele digitais de inspiração
Ciência 16 de outubro de 2015: 350, 313-316