具有自身神经系统的生物工程机器人手会感觉到触觉

触觉通常被认为是理所当然的。对于没有肢体或手的人来说,失去那种触觉可能是毁灭性的。虽然具有复杂的移动手指和关节的高度复杂的假体可用于模仿几乎每个手部动作,但是对于用户而言仍然令人沮丧地难以且不自然。这很大程度上是因为他们缺乏引导每一个动作的触觉体验。这种感觉上的空白导致这些非常昂贵的人造装置的使用有限或被遗弃。那么为什么不制作一个能够“感觉”环境的假肢呢?

这正是来自佛罗里达大西洋大学和犹他大学医学院的跨学科科学家团队的目标。他们正在开发一种首创的生物工程机器人手,它将成长并适应其环境。这个“活”的机器人将拥有自己的外围神经系统直接连接机器人传感器和执行器。FAU的工程和计算机科学学院领导多学科团队,该团队获得了美国国立卫生研究院国家生物医学成像和生物工程研究所提供的四年130万美元资助,该项目名为“虚拟神经假体:恢复人们的自主权”遭受神经损伤。“

凭借在机器人技术,生物工程,行为科学,神经再生,电生理学,微流体装置和整形外科方面的专业知识,研究团队正在创造一条从机器人的触觉到用户大脑的生活途径,以帮助截肢者控制机器人手。神经假体平台将使他们能够探索神经元和行为如何协同工作以再生假肢中的触觉。

该项目的核心是在FAU工程与计算机科学学院的BioRobotics实验室开发的尖端机器人手臂。就像人类的指尖一样,机器人手上配备了许多能够响应环境变化的感官受体。由人控制,它可以感知压力变化,解释它正在接收的信息并与各种对象进行交互。它根据物体的重量或脆弱程度调整其抓地力。但真正的挑战是弄清楚如何使用活的残余神经通路将这些信息发回大脑,以取代那些受创伤损坏或破坏的神经通路。

“当周围神经受到切割或损伤时,它会利用触觉感受器产生的丰富的电活动来恢复自身。我们想要研究指尖传感器如何帮助受损或切断的神经再生,”Erik Engeberg博士说。首席研究员,FAU海洋与机械工程系副教授,FAU生物机器人实验室主任。“为了实现这一目标,我们将在体外直接连接这些活神经,然后每天用机器人手上的传感器对它们进行电刺激,以观察神经如何生长和再生,同时手部由缺乏肢体的人操作。 “

对于该研究,神经元将不会保留在常规培养皿中。相反,它们将被放置在生物相容的微流体室中,提供模拟活细胞基本功能的培育环境。Sarah E. Du博士,联合首席研究员,FAU海洋与机械工程系助理教授,以及新兴微流体领域的专家,开发了这些带有嵌入式微电极的微型定制人工腔室。研究小组将能够利用机器人手中的电脉冲刺激神经元,以帮助伤后再生。他们将在形态上和电学上实时测量已经恢复了多少神经组织。

Jianning Wei博士,联合首席研究员,FAU查尔斯·施密特医学院生物医学科学副教授,神经损伤和再生专家,将在体外制备神经元,观察它们的生长和看见他们如何在受伤后的表现和再生。这种“虚拟”方法将为研究团队提供多种机会来测试和重新测试神经,而不会对受试者造成任何伤害。

使用脑电图(EEG)检测大脑中的电活动,Emmanuelle Tognoli,博士,联合首席研究员,FAU复杂系统和脑科学中心的副研究教授,Charles E. Schmidt科学学院,电生理学和神经学,行为学和认知科学专家将研究如何将机器人传感器的触觉信息传递到大脑,以区分具有成功或不成功的触觉功能恢复的场景。她的目标:了解行为如何帮助神经再生以及神经再生如何帮助行为。

一旦来自机器人的触觉传感器的神经冲动已经通过微流体室,它们就被送回操纵机器人手的人类用户。这是通过一种特殊装置来完成的,该装置将来自微流体腔室的信号转换成放置在截肢者手臂的剩余部分上的袖带上的可控压力。用户将知道他们是否正在过度挤压物体或者他们是否正在失去抓地力。

恩格伯格还与道格拉斯T.哈钦森医学博士合作,他是联合首席研究员,也是犹他大学医学院骨科教授,专门研究手部和整形外科。他们正在开发一系列任务和行为神经指标,最终将揭示如何使用机器人设备促进截肢者和肢体缺席者的健康触觉。该研究团队还正在寻找具有多学科经验的博士后研究人员来完成这一突破性项目。

“这项国立卫生研究院的资助将帮助我们跨学科的科学家团队解决影响全球数百万人的重大挑战,”FAA工程与计算机科学学院院长,教授Stella Batalama博士说。“通过更好地了解如何修复神经损伤和创伤,我们将能够帮助患者在截肢后恢复运动功能。这项研究对于患有中风和脊髓损伤等其他形式的神经损伤的人也有广泛的应用。 “。

该项目的早期阶段得到了FAU传感与嵌入式网络系统研究所(I-SENSE)的支持。研究人员还与I-SENSE和FAU的脑研究所合作,这是该大学的两个研究支柱,专注于机构优势。