توسعه پوست الکترونیکی برای پروتزهای اندام مصنوعی؛ بازگشت حس دما و فشار به افراد قطع عضو
یک دستاورد نوین در حوزه بیوالکترونیک و بیومکانیک نویدبخش تحولی بزرگ در زندگی افراد قطع عضو است. پژوهشگران دانشگاه ایالتی واشینگتن (WSU) موفق به توسعه نوعی پوست الکترونیکی (E-Skin) مجهز به سیستم حسگری چندمنظوره شدهاند که میتواند بهطور همزمان گرما و فشار را اندازه بگیرد و راه را برای حسکردن محیط توسط پروتزهای مصنوعی هموار سازد.
نتایج این پروژه تحقیقاتی در نشریه بینالمللی Cell Reports Physical Science منتشر شده است و نشان میدهد این حسگرها میتوانند تغییرات محیطی را با دقتی تا ۱۰ برابر بیشتر از دستکشهای حسگر تجاری موجود در بازار ارزیابی کنند.
دموکراتیزهکردن ساخت پوستهای بیونیک؛ گامی بهسوی کاربرد بالینی گسترده
هونگی شن (Hongyi Shen)، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در دانشکده مهندسی مکانیک و مواد WSU و نویسنده اول این مقاله، درباره اهمیت این پژوهش میگوید:
«این رویکرد فرآیند تولید پوستهای الکترونیکی با درجه پزشکی را دسترسپذیرتر و دموکراتیزه میکند؛ موضوعی که بازخورد پیشرفته لمسی را برای استفاده گسترده در محیطهای کلینیکی عملی میسازد. این مطالعه پایهگذار ساخت یک پوست بیونیک تمامعیار با کارکردهای توأم حسگری و تحریک بازخورد لمسی (Haptic) روی پروتزهاست.»
تحریک هپتیک (Haptic Stimulation) بازآفرین حس طبیعی لمس است. بازیابی حتی بخش کوچکی از حس لامسه در افراد قطع عضو میتواند توانایی آنها را در انجام کارهای روزمره—نظیر برداشتن یک لیوان آب داغ، گرفتن اجسام شکننده یا لمس بافتهای مختلف—بهطرز چشمگیری افزایش دهد.
چالشهای پوستهای الکترونیکی نسل قدیم چه بود؟
اگرچه در حال حاضر پوستهای الکترونیکی متنوعی در آزمایشگاهها طراحی شدهاند، اما استفاده از آنها در مقیاس عملی با موانع اساسی روبهرو بوده است:
- هزینههای گزاف ساخت و توسعه.
- وضوح و تفکیکپذیری پایین در سنجش دادهها.
- عدم انطباق با انحناها و فرم نامنظم اندامها: هرچه یک پوست الکترونیکی سفارشیتر طراحی میشد، عملکرد حسی آن افت بیشتری پیدا میکرد.
- تولید حجم انبوه اطلاعات (Data Overload): ارائههای حسگری بزرگ دادههای فراوانی تولید میکنند که پردازش آنها مانع از عملکرد سریع و بلادرنگ (Real-Time) سیستم میشد.
به گفته شن، اغلب دستگاههای موجود ناچار بودند میان راحتی بیمار و استحکام مکانیکی دستگاه دست به سازش بزنند.
نوآوری تیم WSU: معماری لایهای و مدل ساخت «اسکن-مدلسازی-چاپ»
تیم تحقیقاتی دانشگاه ایالتی واشینگتن یک سامانه حسگری قابلتنظیم برای اندامهای مصنوعی ساختند که با فرم آزاد و منحنی اندام مطابقت دارد و حس لامسه پوست انسان را بازسازی میکند.
ماژولهای این حسگر بهصورت «ساندویچهای چندلایه نازک» طراحی شدهاند که سنسورهای دما و فشار را در هم ادغام میکنند. این اجزا تشخیص بافت سطوح و خواص فیزیکی مواد را با قابلیت اطمینان بالا ممکن میسازند.
پژوهشگران برای ساخت این قطعات از استراتژی اختصاصی موسوم به «اسکن-مدلسازی-چاپ» (Scan-Model-Print) بهره بردهاند:
- اسکن هندسی: در گام نخست، اسکنر فرم سهبعدی پروتز یا اندام را اسکن میکند.
- تطبیق سیستماتیک حسگرها: حسگرها متناسب با الگوی هندسی بهدستآمده، در یک سامانه حسگری چندحالته نگاشت میشوند.
- تولید افزودنی و لیزری: قطعات با استفاده از چاپ سهبعدی و برش دقیق لیزری تولید میگردند.
دکتر کایان چیو (Kaiyan Qiu)، استادیار دانشکده مهندسی مکانیک و مواد WSU و نویسنده مسئول مقاله، در اینباره توضیح میدهد:
«اسکنر هندسه پروتز را به دقت ثبت میکند و ما سنسورها را منطبق با همان هندسه طراحی میکنیم. این فرآیند باعث میشود پوشش سیستم حسگری ما روی نواحی آزاد و دارای انحنای پروتز کاملاً پیوسته و بدون درز باشد.»
اتصال قطعات بدون نیاز به چسب؛ شبیه به قطعات لگو!
یکی از نوآوریهای برجسته مهندسی در این طرح، حذف چسبهای شیمیایی دائمی است. ماژولهای حسگر مانند بلوکهای اسباببازی لگو (Lego) به یکدیگر چفت میشوند. این موضوع علاوه بر کاهش هزینه و سهولت مونتاژ، تعمیر و تعویض ماژولهای معیوب را بسیار آسان میکند.
چیو میافزاید:
«روش ساخت اصلی ما با اتکا بر پرینت سهبعدی و برش لیزری نسبتاً ساده است؛ بنابراین میتواند فرآیندی مقرونبهصرفه، ارزان و بسیار راحت برای تولید در سطح کلینیکی باشد.»
افق پیشرو: انتقال پالسهای پوست الکترونیکی به عصبهای انسانی
پژوهشگران WSU اظهارنامه ثبت اختراع موقت (Provisional Patent) این نوآوری را در دفتر نوآوریهای پژوهشی این دانشگاه به ثبت رساندهاند.
گام بعدی تیم، طراحی و پیادهسازی یک محرک یا عملگر (Actuator) اختصاصی است. وظیفه این محرک تبدیل سیگنالهای فیزیکی ثبتشده توسط پوست الکترونیکی به تحریکات الکتریکی معنادار برای پایانههای عصبی باقیمانده در اندام فرد قطع عضو است تا مغز بیمار بتواند لمس اشیا، میزان زبری یا داغی آنها را مستقیماً حس کند.