Крошечное термоэлектрическое устройство восстанавливает тепловое восприятие фантомной конечности

Краткое содержание: Исследователи создали революционное крошечное и эффективное термоэлектрическое устройство, которое может помочь людям с ампутированными конечностями чувствовать температуру своими фантомными конечностями.

Это легкое, невероятно быстрое и энергоэффективное устройство, известное как носимый тонкопленочный термоэлектрический охладитель (TFTEC), потенциально революционизирует такие приложения, как протезирование, тактильные ощущения дополненной реальности и термомодулированную терапию. Кроме того, у этой технологии есть потенциал в таких отраслях, как охлаждение электроники и сбор энергии в спутниках.

Исследование, проведенное для тестирования TFTEC, продемонстрировало его способность вызывать ощущение охлаждения в фантомных конечностях, делая это значительно быстрее, с большей интенсивностью и меньшими затратами энергии, чем традиционная термоэлектрическая технология.

Ключевые факты:

1. Исследователи APL разработали носимый TFTEC, одно из самых маленьких и эффективных холодильных устройств в мире, чтобы помочь людям с ампутированными конечностями воспринимать температуру с помощью фантомных конечностей.
2. TFTEC, испытанный на людях с ампутированными конечностями, вызывал ощущения охлаждения быстрее, с большей интенсивностью и меньшими затратами энергии, чем традиционная термоэлектрическая технология.
3. Помимо медицинских применений, технология TFTEC может использоваться для охлаждения электроники и лазеров, а также для сбора энергии в спутниках.

Источник: Университет Джона Хопкинса

Исследователи Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса (APL) разработали одно из самых маленьких, самых мощных и быстрых холодильных устройств в мире, носимый тонкопленочный термоэлектрический охладитель (TFTEC), и объединились с нейробиологами, чтобы помочь людям с ампутированными конечностями воспринимать ощущение температуры с помощью своего фантома. конечности.

Это достижение, одно из первых в своем роде, обеспечивает новые полезные возможности для различных приложений, включая улучшенные протезы, тактильные ощущения для новых модальностей в дополненной реальности (AR) и термомодулированную терапию для таких приложений, как обезболивание.

Эта технология также имеет множество потенциальных промышленных и исследовательских применений, таких как охлаждение электроники и лазеров, а также сбор энергии в спутниках.

Разработка TFTEC в APL началась в 2016 году, когда Рама Венкатасубраманян, инженер по полупроводниковым устройствам и главный технолог по исследованиям термоэлектричества APL, начал разработку передовых термоэлектрических материалов и устройств с нанотехнологией для программы MATRIX Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA).

Для поддержки MATRIX компания APL разработала передовые тонкопленочные термоэлектрические материалы, называемые контролируемыми иерархически спроектированными сверхрешетчатыми структурами (CHESS), чтобы обеспечить совершенно новый набор возможностей преобразования для нескольких приложений Министерства обороны, включая охлаждение компьютерных микросхем и компонентов двигателей.

К концу 2019 года успехи Венкатасубраманяна в области термоэлектричества CHESS были настолько значительными, что Бобби Армигер, курирующий отделение исследовательской науки APL, задался вопросом, можно ли использовать его устройства для облегчения ощущения температуры в фантомных конечностях людей с ампутированными конечностями для улучшения протезов.

С 2006 года APL возглавляет программу DARPA «Революция в области протезирования», усилия которой направлены на создание искусственно управляемой конечности, которая вернет почти естественные двигательные и сенсорные способности пациентам с ампутированными конечностями.

«Мы знали, что можем стимулировать определенные части чьей-то ампутированной конечности, чтобы чувствовать прикосновение и вибрацию, но никому не удавалось создать ощущение охлаждения со скоростью, интенсивностью и эффективностью, чтобы восстановить естественное тепловое восприятие с помощью протеза. системы, — сказал Армигер.

«Восстановление температурной чувствительности имеет практическое применение — например, определение холодного напитка — а также потенциал для улучшения эмоционального воплощения протеза, возможно, путем ощущения тепла руки любимого человека».

Венкатасубраманян и команда термоэлектриков начали сотрудничать с Армигером и командой нейробиологов и робототехников в рамках исследования, проведенного при поддержке Центра исследований в области реабилитационных наук в рамках Департамента физической медицины и реабилитации (PM&R) в Университете унифицированных служб медицинских наук ( USU), получив дополнительную награду от Фонда Генри М. Джексона по развитию военной медицины, на создание носимого термоэлектрического охладителя, быстрого и достаточно мощного, чтобы соответствовать способности человеческого тела быстро ощущать изменения температуры.

Из этого был создан носимый TFTEC.

«Наш TFTEC имеет толщину чуть более одного миллиметра, весит всего 0,05 грамма, похож на тонкий лейкопластырь, и может обеспечить интенсивное охлаждение менее чем за секунду», — сказал Венкатасубраманян.

«Он также в два раза более энергоэффективен, чем самые распространенные сегодня термоэлектрические устройства, и его можно легко изготовить с использованием полупроводниковых инструментов, которые также используются для производства светоизлучающих диодов. [LEDs]. Это захватывающая разработка, которая может иметь огромное значение для протезов и тактильных приложений».

Чтобы проверить эффективность TFTEC, исследователи составили карту тепловых ощущений в фантомных руках четырех человек с ампутированными конечностями.

«Когда кто-то теряет часть конечности, нервы в оставшейся конечности все еще на месте, что может привести к ощущению «фантомной» конечности», — сказал Люк Осборн, исследователь нейроинженерии, который возглавляет большую часть работы APL по неинвазивному моделированию нервов.

«Вы можете разместить электроды на разных частях плеча человека с ампутированной конечностью, где эти нервы отросли, и стимулировать ощущения — обычно давление, но в данном случае температуру — и человек может сказать нам, где в его фантомной руке он чувствует эти ощущения».

Природная биомедицинская инженерия Недавно были опубликованы результаты обширного исследования APL TFTEC для таких сенсорных приложений, которое включало характеристику в лабораторных масштабах, испытания с людьми с ампутированными конечностями и демонстрацию подхода в реальной жизни.

В исследовании отмечается, что TFTEC вызывала ощущение холода в фантомных конечностях всех участников во время задачи по обнаружению холода, тогда как традиционная термоэлектрическая технология вызывала это только у половины из них, а TFTEC делала это в восемь раз быстрее и в три раза интенсивнее. Кроме того, TFTEC использует вдвое меньше энергии по сравнению с современными термоэлектрическими устройствами.

«Мы обнаружили, что устройство TFTEC значительно лучше создавало более быстрые и интенсивные ощущения охлаждения по сравнению с традиционными устройствами, даже несмотря на то, что целевая температура была такой же», — сказал Осборн. «И это помогло участникам быстрее принимать решения и делать наблюдения».

Места стимуляции у участников теста оставались неизменными в течение 48 недель тестирования, что позволяет предположить, что технология может позволить пользователям ощущать температуру в отсутствующих руках в течение многих лет. Эта временная стабильность наряду с носимой неинвазивной процедурой привлекательна для использования в реальных условиях.

«Когда мы начали свою работу в марте 2020 года, мы поняли, что всего за пару испытаний мы можем стимулировать фантомные конечности человека с ампутированными конечностями», — сказал Венкатасубраманян. «Мы слышали, как участники говорили: «Да, я тут же почувствовал холодок и покалывание там».

Команда APL продолжала совершенствовать свой подход, проводя испытания на нескольких людях с ампутацией, а также на людях с неповрежденной конечностью.

«Это то, о чем мы мечтаем как ученые», — продолжил Венкатасубраманян.

«Мы проводим годы в лаборатории, и невероятно приятно видеть, как наша технология влияет на чье-то качество жизни, как человек с ампутированной конечностью воспринимает естественный термальный мир».

Способные генерировать реалистичные и информативные тепловые сигналы для человеческого восприятия — при меньшей энергии и размере по сравнению с современными технологиями охлаждения — низкопрофильная, высокоскоростная и легкая конструкция устройств делает их пригодными для применения на поверхности кожи без помех, которые может повлиять на движение.

«Было здорово увидеть, как эта термоэлектрическая технология, разработанная APL, переносится в область здравоохранения посредством этой первой в своем роде демонстрации на человеке с ампутированной конечностью», — сказал Дэвид Дрюри, инженер-биомедик и руководитель программы в Национальной миссии здравоохранения APL.

«Мы с нетерпением ждем расширения результатов более надежных клинических испытаний и интеграции устройства в другие форм-факторы носимых устройств, которые можно будет легко использовать для людей, нуждающихся в сенсорном восстановлении или тактильной обратной связи».

Кэти Карнил, инженер-биомедик и помощник руководителя программы Инженер-биомедик и помощник руководителя программы, которая возглавляет инновационные исследования в области здравоохранения в APL, видит широкий спектр будущих применений миниатюрной термоэлектрической технологии.

«Существует так много способов, которыми ощущения давления и температуры влияют на человеческое тело», — сказал Карнил.

«Помимо улучшения качества жизни людей с ампутированными конечностями, мы открыли множество дверей для исследований, которые могут помочь нам изучать и находить новые методы лечения нервно-мышечных заболеваний или хронической боли».

Доктор Пол Паскина, председатель PM&R в УрГУ, поддержал этот энтузиазм, высоко оценив работу команды APL. «Какая привилегия работать с такими экспертами-инженерами, чтобы найти решения, которые помогут реальным пациентам, в том числе нашим раненым воинам с потерей конечностей», — сказал он.

APL обладает уникальной квалификацией для продвижения искусства возможного для новых приложений в области здравоохранения, исследуя это пересечение материаловедения и разработки электронных устройств с биологией и неврологией.

В дополнение к программе «Революционное протезирование» APL добилась значительных успехов в исследованиях нейронных интерфейсов, совершенствовании инструментов геномики и мониторинге физической усталости для предотвращения травм бойцов среди многих других достижений в области Национальной миссии здравоохранения.

Об этих новостях нейротехнологических исследований

Автор: Полетт Кэмпбелл
Источник: Университет Джона Хопкинса
Контакт: Полетт Кэмпбелл – Университет Джонса Хопкинса
Изображение: Изображение предоставлено Neuroscience News.

Оригинальное исследование: Закрытый доступ.
“Вызов естественного теплового восприятия с помощью тонкопленочного термоэлектрического устройства с высокой плотностью мощности и скоростью охлажденияРама Венкатасубраманиан и др. Природная биомедицинская инженерия

---

Абстрактный

Вызов естественного теплового восприятия с помощью тонкопленочного термоэлектрического устройства с высокой плотностью мощности и скоростью охлаждения

Мультимодальная сенсорная обратная связь от протезов верхних конечностей может повысить их функциональность и удобство использования.

Здесь мы показываем, что интуитивное тепловое восприятие во время захвата холодного объекта протезом может быть восстановлено в фантомной руке путем целенаправленной стимуляции нерва с помощью носимого тонкопленочного термоэлектрического устройства с высокой плотностью мощности и скоростью охлаждения.

Мы обнаружили, что определенные области культи при термической стимуляции вызывали тепловые ощущения в фантомной руке, которые оставались стабильными в течение 48 недель. Мы также обнаружили участки стимуляции, которые выборочно вызывали ощущения температуры, прикосновения или того и другого, в зависимости от того, была ли стимуляция термической или механической.

В функциональных задачах замкнутого цикла, включающих идентификацию холодных объектов людьми с ампутированными конечностями и участниками без ампутированных конечностей, и по сравнению с традиционными объемными термоэлектрическими устройствами носимое тонкопленочное устройство надежно вызывало ощущение охлаждения, которое было до 8 раз быстрее и до 3 раз быстрее. раза больше по интенсивности при использовании половины энергии и 1/600^й масса активного термоэлектрического материала.

Носимые тонкопленочные термоэлектрические устройства могут обеспечить неинвазивное восстановление теплового восприятия во время прикосновения.