Les ingénieurs de Stanford créent une «peau» artificielle pour permettre aux prothèses de se sentir


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Les ingénieurs de Stanford ont créé une «peau» en plastique qui peut détecter à quel point elle est pressée et générer un signal électrique pour fournir cette entrée sensorielle directement à une cellule cérébrale vivante. Le travail rapproche le jour où un sens du toucher est ajouté aux membres prothétiques.


Zhenan Bao, professeur de génie chimique à Stanford, a passé une décennie à essayer de développer un matériau qui imite la capacité de la peau à fléchir et à guérir, tout en servant également de réseau de capteurs qui envoie des signaux de toucher, de température et de douleur au cerveau. En fin de compte, elle souhaite créer un tissu électronique flexible intégré avec des capteurs qui pourraient couvrir un membre prothétique et reproduire certaines des fonctions sensorielles de la peau.



Le travail de Bao, rapporté jeudi dans Science, fait un autre pas vers son objectif en reproduisant un aspect du toucher, le mécanisme sensoriel qui nous permet de distinguer la différence de pression entre une poignée de main molle et une prise ferme.

«C'est la première fois qu'un matériau souple et semblable à la peau est capable de détecter la pression et de transmettre un signal à un composant du système nerveux», a déclaré Bao, qui a dirigé l'équipe de recherche de 17 personnes responsable de cette réalisation.

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Numérisation tactile

Le cœur de la technique est une construction en plastique à deux couches: la couche supérieure crée un mécanisme de détection qui peut détecter la pression sur la même plage que la peau humaine, d'un léger tapotement du doigt à une poignée de main ferme. La couche inférieure agit comme un circuit pour transporter les signaux électriques et les traduire en stimuli biochimiques pour les cellules nerveuses.

Il y a cinq ans, Bao membres de l'équipe décrit d'abord comment utiliser les plastiques et les caoutchoucs comme capteurs de pression en mesurant l'élasticité naturelle de leurs structures moléculaires. Ils ont ensuite dentelé un motif gaufré dans le plastique mince, ce qui ajoute encore plus d'élasticité.


Pour exploiter électroniquement cette capacité de détection de pression, l'équipe a dispersé des milliards de nanotubes de carbone à travers le plastique gaufré. La pression exercée sur le plastique rapproche les nanotubes et leur permet de conduire l'électricité.

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Cela a permis au capteur en plastique d'imiter la peau humaine, qui transmet des informations de pression au cerveau sous forme de courtes impulsions d'électricité, similaires au code Morse. L'augmentation de la pression sur les nanotubes gaufrés les rapproche encore plus l'un de l'autre, permettant à plus d'électricité de circuler à travers le capteur, et ces impulsions variées sont envoyées sous forme d'impulsions courtes au mécanisme de détection.

L'équipe a ensuite accroché ce mécanisme de détection de pression à la deuxième couche de leur peau artificielle, un circuit électronique flexible qui pourrait transporter des impulsions d'électricité vers les cellules nerveuses.


Traduire vers les cellules

L’équipe de Bao a développé une électronique flexible qui peut se plier sans se casser. Grâce à un partenariat avec des chercheurs de PARC, une société Xerox, une imprimante à jet d'encre a été utilisée pour déposer des circuits flexibles sur du plastique.

Pour que le signal électronique soit reconnu par un neurone vivant, une technique a été utilisée, développée par Karl Deisseroth, professeur de bio-ingénierie à Stanford, qui combine la génétique et l'optique, appelée optogénétique. Ils ont bio-conçu des cellules pour les rendre sensibles à des fréquences de lumière spécifiques, puis utilisent des impulsions lumineuses pour allumer et éteindre les cellules à partir des signaux de pression électroniques dans la peau artificielle.

Bao a déclaré que d'autres méthodes de stimulation des nerfs seraient probablement utilisées dans de vrais dispositifs prothétiques qui pourraient reproduire, par exemple, la capacité de distinguer le velours côtelé de la soie, ou un verre d'eau froide d'une tasse de café chaud.

Cela prendra du temps. Il existe six types de mécanismes de détection biologique dans la main humaine, et l'expérience décrite dans Science rapporte le succès dans un seul d'entre eux. Mais l'approche actuelle à deux couches signifie que l'équipe peut ajouter des sensations en développant de nouveaux mécanismes.


«Nous avons beaucoup de travail pour faire passer cela des applications expérimentales aux applications pratiques», a déclaré Bao. «Mais après avoir passé de nombreuses années dans ce travail, je vois maintenant un chemin clair où nous pouvons prendre notre peau artificielle.»

Réimprimé (sous forme modifiée) avec l'autorisation du Stanford News Service - Photo de Bao Labs, Stanford