觸覺對(duì)于雙手的靈巧使用至關(guān)重要，因此這方面也是截肢和癱瘓病患恢復(fù)手部功能的重要組成部分。假肢系統(tǒng)通過集成可穿戴觸覺傳感器解決了這一問題。然而，這種可穿戴傳感器對(duì)于旨在使病患的癱瘓手部恢復(fù)的神經(jīng)假體系統(tǒng)來說并非最理想的解決方案。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)（University of Pennsylvania）和俄亥俄州立大學(xué)（Ohio State University）組成的科研團(tuán)隊(duì)在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了以“An implantable, wireless, battery-free system for tactile pressure sensing”為主題的論文。該論文共同第一作者為L(zhǎng)in Du，通訊作者為Andrew G. Richardson和Mark G. Allen。
這項(xiàng)研究利用硅基MEMS技術(shù)開發(fā)了首款完全無線的植入式觸覺傳感器，避免了以往利用脆弱的電引線穿過關(guān)節(jié)的皮下隧道的要求。該傳感器系統(tǒng)旨在與傳感器控制的腦刺激和腦控制的肌肉刺激相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)為癱瘓病患提供閉環(huán)手部功能“再生”。將觸覺反饋加入肢體恢復(fù)方案將是其邁向臨床腦機(jī)界面（BMI）的重要一步，該方案每年有望讓數(shù)以千計(jì)的新癱瘓病患重新恢復(fù)功能獨(dú)立。
該無線觸覺傳感系統(tǒng)結(jié)合了微型、生物兼容的壓力傳感器、電池供電的無線電源和數(shù)據(jù)鏈路，壓力傳感器可以植入皮膚下任何期望位置（如手掌或指尖），無線電源和數(shù)據(jù)鏈路可以佩戴于手腕、手背或指甲上（如圖1a）。為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，研究人員開發(fā)了利用生物相容且密封的二氧化硅層完全封裝的集成植入式平臺(tái)，該平臺(tái)主要由三大主要組件構(gòu)成（電容式壓力傳感器、微型化無線傳輸模塊、三層封裝，如圖1b所示）。這項(xiàng)研究的重要設(shè)計(jì)改進(jìn)是將ASIC芯片與天線一同封裝在熔融二氧化硅中，從而提供了一個(gè)具有合適尺寸、密封封裝的獨(dú)立傳感系統(tǒng)，適用于皮下長(zhǎng)期植入物的預(yù)期應(yīng)用。
圖1 無線植入式觸覺傳感系統(tǒng)
該電容式傳感器的工作原理如圖2所示。在不施加外力的情況下，將帶有浮動(dòng)電勢(shì)上電極的上硅板與包含兩個(gè)下電極的中間硅板平行連接（如圖2a）。在存在作用于傳感器膜上的法向力的情況下，上板向中間板偏轉(zhuǎn)，從而減小電極間距離并增大兩下電極之間的電容（如圖2b）。隨著受力的增加，上板進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)，上電極可能會(huì)接觸到下電極，從而實(shí)現(xiàn)接觸模式操作（如圖2c）。為了定量評(píng)估該傳感器，使用固體力學(xué)模塊和交流/直流（AC/DC）靜電模塊進(jìn)行了COMSOL Multiphysics仿真（如圖2d）。
圖2 傳感器工作原理示意圖及有限元仿真結(jié)果
通過使用力控制測(cè)試儀器直接在傳感器膜上施加靜態(tài)力，初步評(píng)估了微加工傳感器的力-電容關(guān)系。接下來，研究人員評(píng)估了傳感器在模擬皮下植入條件下的性能。相關(guān)測(cè)試和模擬結(jié)果如圖3所示。
圖3 “臺(tái)式”傳感器性能
隨后，研究人員進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估該器件在與預(yù)期觸覺傳感應(yīng)用非常接近的條件下的性能，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。
圖4 活體外傳感器性能
最后，為了評(píng)估該傳感器體內(nèi)植入的耐受性，研究人員進(jìn)行了初步研究。將一個(gè)直徑3 mm的無功能傳感器封裝植入獼猴的指尖（如圖5）。活體外和活體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電容式傳感器系統(tǒng)的器件尺寸適合于指尖皮下植入，可準(zhǔn)確估計(jì)觸覺力并用于感知恢復(fù)系統(tǒng)。
圖5 非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物指尖傳感器封裝植入的活體內(nèi)初步研究
該傳感器的預(yù)期應(yīng)用是癱瘓病患的閉環(huán)手部功能再生治療。本研究所開發(fā)的傳感器系統(tǒng)只是該預(yù)期應(yīng)用的一部分（如圖6）。
圖6 癱瘓病患的閉環(huán)手部功能再生治療示意圖
綜上所述，研究人員開發(fā)了一種用于皮下的植入式觸覺壓力傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)由微加工電容式壓力傳感器、支持無線供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩ㄖ萍呻娐芬约凹す馊廴诿芊夤杌庋b共同構(gòu)成。該微型裝置通過模擬、“臺(tái)式”評(píng)估和靈長(zhǎng)類動(dòng)物手部測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證。植入指尖的傳感器精確測(cè)量了施加在皮膚上的力，分辨率為4.3 mN。該新型傳感器的輸出可以通過微刺激在大腦中編碼，以提供觸覺反饋。從更廣泛的角度，材料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造方法的進(jìn)步均為植入式傳感系統(tǒng)的各類應(yīng)用建立了新的基礎(chǔ)能力。
這項(xiàng)研究獲得了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院基金（R01NS107550）的資助和支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-023-00602-3
延伸閱讀：
《觸覺技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》
《可穿戴技術(shù)及市場(chǎng)-2023版》
《可穿戴傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》
《Merit Sensor壓力傳感器及MEMS芯片分析》
