Senzor bioinspirat care imită percepția tactilă și durerea pentru proteze
Amputarea membrelor inferioare nu doar că afectează mobilitatea, ci este adesea însoțită de dureri fantomă și de perturbări în percepția haptic și nociceptivă în membrul rezidual, ceea ce poate compromite utilizarea protezelor și reabilitarea.
La interfața dintre membrul rezidual și socketul protezei, presiunea excesivă sau neuniformă poate provoca disconfort, inflamație sau chiar ulcerații ale pielii. Prin urmare, localizarea în timp real a contactului, măsurarea intensității presiunii și detectarea timpurie a stimulilor potențial dăunători sunt esențiale pentru ajustarea și utilizarea sigură a protezelor.
Deși senzorii tactili flexibili au îmbunătățit semnificativ sensibilitatea, elasticitatea și stabilitatea, majoritatea sistemelor încă fac distincția între atingere și durere folosind praguri predefinite și nu au procesarea semnalului, memoria și plasticitatea sinaptică intrinsecă a sistemelor neuronale biologice.
Abordările recente care combină senzori de presiune cu elemente neuromorfice, cum ar fi memristorii sau tranzistorii, oferă o soluție pentru integrarea detectării, procesării și memoriei. Totuși, sistemele existente se confruntă în continuare cu dificultăți în a realiza simultan localizarea precisă în timp real pentru percepția haptic și integrarea temporală și spațială necesară pentru detectarea durerii. Prin urmare, dezvoltarea unui sistem perceptual bioinspirat capabil să decodeze simultan locația și intensitatea haptică, împreună cu informațiile spatiotemporale despre durere, este un pas important către o restaurare senzorială mai eficientă și feedback protector în proteze inteligente.
Cercetarea a dezvoltat un senzor perceptual bioinspirat (BPS) cu două căi sinergice, conceput pentru a emula percepția umană a hapticii și durerii. Modulul haptic a utilizat un senzor piezoelectric P(VDF-TrFE) pentru a detecta rapid locația stimulului, intensitatea și timpul de aplicare sau eliberare, în timp ce modulul de durere a combinat un senzor piezoresistiv LIG/PDMS cu un tranzistor sinaptic ITO cu pori de chitosan, permițând plasticitatea sinaptică de tip scurt și lung și integrarea spatiotemporală a intensității stimulului, duratei, frecvenței și repetiției. Cele două module au fost integrate într-un aranjament de sensing bimodal flexibil 2 × 2 cu circuite de condiționare a semnalului și un microcontroler pentru detectarea tactilă paralelă și procesarea dureroasă neuromorfică.
Cercetătorii au caracterizat întâi sensibilitatea, viteza de reacție, stabilitatea și comportamentul legat de plasticitate al componentelor de sensing, apoi au integrat BPS-ul într-o mână robotică pentru a stabili un sistem cu buclă închisă, capabil să facă distincția între stimuli inofensivi și dăunători și să declanșeze răspunsuri de evitare. În cele din urmă, platforma a fost utilizată la interfața membrului rezidual – socketul protezei la participanții cu amputare transtibială, unde au fost înregistrate distribuția haptic și semnalele de avertizare privind durerea în timpul șederii, mersului, urcării scărilor, săriturilor și alergării, pentru a evalua fezabilitatea acesteia pentru ajustarea protezelor și feedbackul în reabilitare.
Rezultatele au arătat că senzorul perceptual bioinspirat poate oferi simultan o detecție haptic de înaltă performanță și o percepție a durerii asemănătoare memoriei. Senzorul piezoresistiv a obținut o sensibilitate de 57,9 kPa⁻¹ în intervalul de presiune mică, cu timpi de răspuns și recuperare de 31 și 43 ms, în timp ce senzorul piezoelectric a atins timpi de răspuns și recuperare de 5 și, respectiv, 4 ms și a rămas stabil după 2.000 de cicluri de încărcare. Când a fost integrat cu tranzistorul sinaptic, calea durerii a prezentat EPSC, facilitarea prin impulsuri pereche și tranziții de la plasticitate de scurtă durată la plasticitate de lungă durată, acumulând răspunsuri în funcție de intensitatea, durata, frecvența și repetiția stimulului pentru a emula sensibilizarea și desensibilizarea durerii.
În experimentele robotice cu buclă închisă, sistemul a distins stimulii inofensivi de cei dăunători, declanșând evitarea rapidă odată ce pragul durerii a fost depășit și reducând pragul de avertizare ulterior după o experiență dureroasă, generând un răspuns de protecție asemănător unui reflex condiționat. În studiile de fezabilitate cu participanți care au suferit amputări transtibiale, BPS-ul a monitorizat simultan distribuția presiunii și riscurile legate de durere la interfața membrului rezidual – socketul protezei în timpul șederii, mersului, urcării scărilor, săriturilor și alergării, ajutând la identificarea încărcărilor anormale și la ajustarea mișcării. Aceste descoperiri demonstrează potențialul său pentru ajustarea protezelor, protecția membrului rezidual și antrenamentul în reabilitare.
Importanța acestei lucrări constă în integrarea localizării haptice în timp real cu acumularea spatiotemporală a durerii într-un singur sistem perceptual bioinspirat, oferind feedback senzorial pentru proteze inteligente care se aseamănă mai mult cu procesarea somatosenzorială umană. Prin combinarea unei căi haptice piezoelectrice cu o cale de durere neuromorfă, BPS-ul poate identifica nu doar locația și intensitatea stimulului, ci și emula caracteristici legate de durere, cum ar fi acumularea, sensibilizarea și desensibilizarea, susținând evitarea robotică în buclă închisă și feedbackul în reabilitarea protezelor. Spre deosebire de sistemele convenționale de cartografiere a presiunii sau de avertizare cu prag fix, această abordare oferă informații mai cuprinzătoare sinergice despre haptic și durere, având aplicații potențiale în evaluarea ajustării protezelor, monitorizarea sănătății membrului rezidual și ajustarea mișcărilor.
„Cu toate acestea, în prezent, studiile umane sunt în principal pentru verificarea fezabilității. În viitor, vom extinde numărul de subiecți și tipurile de amputări și vom îmbunătăți în continuare integrarea wireless, ambalarea de grad medical, stabilitatea pe termen lung a purtării și fiabilitatea fixării senzorului în timpul mișcărilor dinamice, promovând astfel dezvoltarea acestui sistem spre proteze inteligente purtabile pe termen lung și aplicații clinice de reabilitare.”
