우리의 촉각을 모방한 부드러운 '전자 피부'

[이매진]

우리의 촉각을 모방한 부드러운 '전자 피부'

https://www.nature.com/articles/d41586-023-01684-9

뇌와 근육에 감각 정보를 전달할 수 있는 유연한 전도성 막은 인공 피부를 향한 한 걸음입니다.

• 캐서린 샌더슨

• 트위터 
• 페이스북 
• 이메일

'e-skin'은 집적 회로가 있는 부드럽고 유연한 센서입니다. 출처: Stanford University Bao Research Group의 Jiancheng Lai 및 Weichen Wang

연구자들은 손가락, 발가락 또는 팔다리가 찌르거나 화상을 입을 때 움직이는 동일한 프로세스를 모방할 수 있는 전자 피부를 개발했습니다. 이 기술은 착용자에게 촉각을 제공하거나 피부가 손상된 사람들의 감각을 회복하는 데 도움이 되는 의족 덮개의 개발로 이어질 수 있습니다.

'e-skin'은 캘리포니아 스탠포드 대학의 화학공학자인 Zhenan Bao의 연구실에서 개발되었습니다. 그녀의 팀은 오랫동안 부드럽고 유연하지만 착용자가 압력, 긴장 또는 온도 변화를 '느끼도록' 뇌에 전기 신호를 전송할 수 있는 보철 피부를 만들기 위해 노력해 왔습니다.

5월 18일 사이언스 1(Science 1) 에 발표된 최신 연구에서는 쥐의 뇌에 있는 운동 피질의 일부에 신호를 전송할 수 있는 얇고 유연한 센서에 대해 설명합니다.

Bao는 "현재의 전자 피부는 우리가 꿈꾸던 모든 특성을 갖추고 있습니다."라고 말합니다. "우리는 그것에 대해 오랫동안 이야기해 왔습니다."

민감한 피부

건강한 살아있는 피부에서 기계적 수용체는 정보를 감지하고 신경계를 통해 뇌로 전달되는 전기 펄스로 변환합니다. 이를 복제하려면 전자 피부에 일반적으로 단단한 반도체로 만들어진 센서와 집적 회로가 필요합니다. 유연한 전자 시스템은 이미 사용 가능하지만 일반적으로 웨어러블 장치에 안전하지 않은 고전압에서만 작동합니다.

완전히 부드러운 전자 피부를 만들기 위해 Bao의 팀은 장치를 실행하는 데 필요한 전압과 신호의 강도를 결정하는 반도체 장치의 얇은 층인 유전체로 사용할 유연한 폴리머를 개발했습니다. 그런 다음 연구원들은 유전체를 사용하여 피부처럼 얇고 부드러운 센서에 결합된 신축성 있고 유연한 트랜지스터 어레이를 만들었습니다.

Bao는 "우리는 여전히 높은 전기적 성능을 유지하면서 모든 단단한 재료를 부드러운 재료로 바꿨습니다."라고 말했습니다.

센서는 적용된 압력 또는 온도 변화와 같은 물리적 변화를 전기 펄스로 전환할 수 있습니다. 연구팀은 시냅스라고 불리는 신경계의 연결을 모방해 신경에서 근육으로 전기 신호를 전달할 수 있는 장치도 만들었다.

Bao의 그룹은 쥐에서 시스템을 테스트했습니다. 피부는 물리적 감각을 처리하는 뇌의 일부인 쥐의 체감각 피질에 전선을 통해 연결되었습니다. 전자 피부가 접촉에 의해 작동되면 뇌에 전기 신호를 보내고 인공 시냅스를 통해 동물 다리의 좌골 신경으로 전달되어 팔다리가 경련을 일으켰습니다.

향후 개발

이 유형의 전자 피부는 심각한 부상을 입었거나 감각 장애가 있는 사람들에게 사용될 수 있습니다. Bao는 장기적으로 덜 침습적인 시스템을 개발하기를 희망한다고 말합니다. "우리는 팔다리를 잃은 사람들을 위해 뇌에 이식할 필요가 없다고 생각합니다."라고 그녀는 말합니다. "우리는 말초 신경계에 이식할 수 있습니다."

현재 e-skin은 여전히 ​​외부 전원에 연결되어 있어야 하지만 Bao는 궁극적으로 무선 장치를 개발하기를 희망합니다. 그러나 손의 모든 손가락을 덮고 터치, 온도 및 압력에 반응하는 피부를 가지려면 훨씬 더 많은 개발이 필요하다고 그녀는 말합니다.

그럼에도 불구하고 감각에서 근육 운동으로 이어지는 폐쇄 루프 시스템을 갖는 것은 "매우 흥미진진하다"고 영국 케임브리지 대학교에서 생체전자공학을 연구하는 Alejandro Carnicer-Lombarte는 말합니다. Bao 팀이 만든 장치는 "대부분 개념 증명"이지만 인공 보철 분야에서는 많은 그룹이 개별 구성 요소에 대해 작업하므로 Bao 팀이 수행한 것처럼 하나의 시스템에 모두 통합하는 것은 중요한 진전. "이러한 것들을 순서대로 결합하는 것은 사소한 일이 아닙니다. 저는 그 점에 매우 감명받았습니다."라고 그는 말합니다.

Carnicer-Lombarte는 또한 다른 알려진 기술을 시스템에 통합하여 예를 들어 엄지와 새끼 손가락이 서로 다른 것을 감지할 수 있는 피부를 만들 수 있는 가능성을 보고 있습니다. 그는 특정 뇌 영역을 표적으로 삼을 수 있도록 더 큰 감도를 달성하면 미래에 이 기술의 유용성이 더해질 것이라고 덧붙였습니다.

도이: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01684-9

참조