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從電子皮膚到仿生手的基于電子的假肢的研究人員正在努力為未來的主流佩戴者帶來舒適和前沿的技術。

電氣工程創新在其中所產生的深刻影響的眾多領域之一是假肢技術。無論假肢和骨骼是用于肢體缺失或其他固定狀況的人，這些設備的應用范圍甚至可以從醫學用途擴展到基于AR / VR的學習，機器人技術和工業應用。

一個高級圖，顯示了研究人員用來向運動傳感器提供上下文的位置。圖片由Nature Electronics和UC Berkeley提供

許多大學一直在研究假肢，并在涉及傳感器，運動和觸感方面試圖改善假肢的設計。 

使用MXene電子皮膚傳感器獲取生理數據

假肢的主要目的是幫助那些肢體完全沒有能力使用肢體的人。這個目標導致大多數假肢研究集中在人造手和腿上。為了模仿盡可能接近真實生物結構的設備，材料科學，制造，電子和生物醫學等各個領域的研究人員必須融合他們的專業知識。

阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）最近關于電子皮膚（或“ e-skin”）傳感器的出版物描述了一種基于MXene-水凝膠異質結構開發的新材料。電子皮膚通常是通過在與人體皮膚或假肢相連的表面上鋪一層活性納米材料制成的。KAUST的研究人員已經開發出一種薄的，可拉伸的和相對更耐用的材料，該材料可以像人的皮膚一樣更精確地起作用。

由MXene-水凝膠異質結構形成的電子皮膚。圖片由KAUST提供

新開發的電子皮膚是通過將乙烯基二氧化硅納米粒子-聚丙烯酰胺（VSNP-PAM）水凝膠作為彈性基質，2D MXene納米片作為傳感陣列以及1D聚吡咯納米線（PpyNWs）分層而制成的。與現有的水凝膠相比，化合物中的氫鍵使它具有更強的能力（?7020 J / m2）和更低的滯后性（<0.1）。

KAUST聲稱其原型電子皮膚可以感應20厘米外的物體，在不到十分之一秒的時間內就能對刺激做出反應，并且當用作壓力傳感器時，可以區分上面書寫的筆跡。

可將基于皮膚的MXene-PpyNW-VSNP-PAM附著在前臂上的皮膚。圖片由KAUST提供

該傳感器經過5,000次變形后仍能繼續正常工作，每次恢復大約四分之一秒。研究人員認為，該傳感器可以傳輸一系列不同的生理數據，這些數據可以幫助制定治療計劃并制定減輕傷害的培訓計劃。 

增添觸感

設計假肢（人類和機器人使用）的一個問題是模擬觸摸的感覺。去年下半年，康奈爾大學的研究人員對結合了低成本LED和染料的光纖傳感器進行了實驗，從而產生了可拉伸的“皮膚”，用于檢測壓力，彎曲和應變等變形。

內襯可伸縮光纖傳感器的3D打印手套使用光實時檢測一系列變形。圖片由 康奈爾大學提供

通過使用數學模型，康奈爾大學的團隊可以區分不同的變形，并精確確定其確切的位置和大小。研究人員聲稱，該設備可以創建沉浸式AR / VR技術，例如增強現實仿真，以通過引導運動向用戶教授不同的技能。

例如，用戶可以學習諸如用手套更換輪胎來模擬擰緊螺母和螺栓的感覺之類的任務。該技術最終可以在假肢上實現，以給用戶帶來觸覺，并為佩戴者提供更好的靈活性和動作控制。

用AI修復

通過人工智能，可以模擬手的復雜功能。加州大學伯克利分校的研究人員通過開發具有人工智能軟件的可穿戴生物傳感器來進行這種復雜的模擬 。據說該軟件可以根據前臂中的電信號模式識別人打算做出的手勢。

具有集成AI的可穿戴傳感器，可進行假肢控制。圖片由 加州大學伯克利分校提供

加州大學伯克利分校的研究人員指出，他們的手勢識別系統可以對多達21種不同的手勢進行分類。基于超維計算算法，它可以利用新信息更新您自己（您做的越多，它就越好），同時具有本地片上計算的額外優勢，從而減少了對隱私泄露的擔憂。 

舒適會導致主流適應嗎？

假肢的一個通常被忽略的設計考慮因素是用戶的舒適度。某些假肢研究雖然處于最新狀態，但尚未成熟到主流應用中-部分是由于成本方面的挑戰，另一方面是由于與不同用戶的體重，形狀，大小和舒適度有關的固有設計挑戰。 

在這方面，CYBERLEGs Plus Plus和DeTOP等項目對于商業化和可行的假肢和外骨骼開發似乎特別令人鼓舞。 

CYBERLEGSs Plus Plus假肢（左）和DeTOP假肢（右）。圖片由CYBERLEGs Plus Plus和DeTOP提供

CYBERLEGs Plus Plus正在開發機器人外骨骼（機器人的腿部和支架），該骨骼器使用連接到兩個馬達的傳感器來預測和預測運動。這些外骨骼可以使截肢者以較小的力度行走和爬樓梯，并防止其掉落。該假肢還包括壓敏鞋墊，不會改變穿著者的步態，從而提高了穿著者的舒適度。

DeTOP的研究使用假肢修復截肢后手功能的恢復。該公司已成功地向患者展示了一種新型植入系統，該患者現在可以靈巧地控制她的手部假體。DeTOP還聲稱，通過其骨整合過程，其假肢比基本的插座版本更舒適。