촉각 회복: 인공 피부 기술의 발전

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다음은 질병, 외상 또는 시간으로 인해 손상된 조직의 기능을 복원하기 위한 뇌-기계 통합 및 생체역학적 솔루션에 관한 시리즈의 첫 번째 부분입니다.

연구자들은 사용자에게 힘을 가해 터치 감각을 재현하는 촉각 기술을 지난 몇 년 동안 개발해 왔습니다. 햅틱은 가상 현실, 텔레로보틱스, 컴퓨터 시뮬레이션 등에 구현되었습니다.

최근 인공 피부 기술의 발전은 촉각 기술을 새로운 차원으로 끌어올려 의족을 갖춘 사람들이 다시 한 번 촉각을 느낄 수 있게 해줄 것입니다. 피부는 신체에서 가장 큰 기관이다. 이는 병원체, 파편, 방사선 및 기타 해로움으로부터 우리의 더 취약한 기관을 보호합니다. 그러나 다른 역할은 훨씬 더 복잡합니다.

촉각 감각은 우리 몸의 가장 바깥쪽 지점에서 중추신경계로 신호를 전달하는 피부에 내장된 중성자 네트워크에서 발생합니다. 눈앞에 있는 휴대폰, 태블릿, 컴퓨터를 터치할 때 촉감은 뇌에 전송되는 일련의 전기 신호입니다. 척추 부상이나 사지 상실 등 이 연결이 끊어지면 촉각 감각이 상실됩니다.

그러나 이러한 손실은 더 이상 영구적이지 않을 수 있습니다. 연구원 Wang 외. 최근 는 상세한 감각 피드백과 주변 환경과의 부드러운 상호 작용을 가능하게 하는 고급 e-스킨 기술을 공개했습니다. e-피부는 부드럽고 인간 피부의 물리적 특성을 모방하며 촉각, 온도 변화 및 압력을 감지하도록 암호화될 수 있으며 이 모든 것이 인공 신경망을 통해 뇌로 다시 전달됩니다. 본질적으로 그들은 오감을 잃은 사람들에게 오감을 돌려줄 수 있는 인공 피부를 만들었습니다.

대부분의 경우 전자 시스템은 견고하고 뻣뻣한 상태를 유지합니다. 최근 몇 년 동안 e-skin과 같은 것을 구성할 수 있는 소프트 장치 제조와 같은 보다 유연한 전자 재료가 출현했습니다. Wang et al.에게는 남아있는 문제입니다. 가장 유연한 전자 재료라도 여전히 고전압(30~100V)이라는 사실이었습니다. 이러한 고전압을 지닌 웨어러블은 착용자에게 상당한 위험을 안겨줍니다.

연구진은 고전압 문제를 극복하기 위해 전자피부에 추가할 삼중층 절연체를 개발했다. 절연체는 매끄럽고 얇아서 e-skin을 쉽게 착용할 수 있고 유연하게 유지합니다.

e-skin의 가장 큰 어려움은 외부 물체와의 접촉을 감지하는 것이지만 오히려 그것에 대한 뇌의 감각과 반응을 해석하는 것입니다. 끓고 있는 것을 만지면 뇌는 즉시 위험을 감지하고, 무의식적으로 즉시 뒤로 물러납니다. 이것은 감각 피드백입니다. 피부와 뇌를 연결하는 신경망은 우리가 의식적으로 생각하는 것보다 더 빠르게 접촉에 빠르게 반응할 수 있게 해줍니다. 인공 피부에서는 감각 피드백 메커니즘을 재구성해야 합니다.

무언가를 만지면 아날로그 신호가 전기 신호로 인코딩되어 신경을 통해 뇌로 전달됩니다. e-피부의 경우, 연구진은 전기 신호를 전달하기 위해 고체 시냅스 트랜지스터 네트워크를 구축했습니다.

왕 외. 살아있는 쥐 모델에서 e-skin을 체성감각 피질에 연결하는 폐쇄 루프 시스템을 개발했습니다. 체성감각 피질은 운동 피질에 매우 근접해 위치하여 우리의 운동 반응 속도가 매우 빨라지는 데 도움이 됩니다. 생체 내 실험에서는 e-피부에 압력이 가해져 체성 감각 피질이 크게 활성화되고 결과적으로 쥐의 근육이 크게 활성화되는 것으로 나타났습니다.

안전성과 효능에 대한 일련의 동물 및 인간 테스트를 거쳐 Wang 등의 e-피부 기술은 다양한 응용 분야에 사용될 수 있습니다. 무엇보다도 재생적으로 미국에서만 약 200만 명의 절단 수술을 받은 사람은 물론 촉각 감각에 영향을 미치는 질병이나 기존 질환이 있는 모든 사람의 촉각을 회복할 수 있습니다.

또한 e-skin은 작업자가 더 나은 장비를 갖추도록 인간이 조작하는 기계에 적용하거나 작업을 더 잘 수행하기 위해 데이터를 수신하는 로봇에 적용하는 등 산업적으로 사용될 수 있습니다.