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國大研發“電子皮膚” 穿戴義肢觸覺更靈敏

2021 年 3 月 12 日 觅史

穿戴義肢能爲截肢者減輕生活不便,但若要義肢也有真實觸感,就須電子皮膚代勞。國大科研人員開發出一套超敏感電子皮膚神經系統,比人體皮膚觸覺靈敏1000倍,能更快速、更准確地分辨出物體的形狀、質感、溫度和硬度,有望爲截肢者提高生活品質。

皮膚是人體最大的器官,在與周遭環境的交互中起著關鍵作用。若少了觸覺,生活上會出現例如無法拿穩東西,甚至不能維持平衡等諸多不便。

截肢者即使穿戴傳統義肢,也會因少了觸覺而無法自然操作義肢。目前市面上已有能讓義肢智能化的電子皮膚,但它們易損,價格也不菲。

爲解決這些局限,由新加坡國立大學工程學院材料科學與工程系校長榮譽助理教授鄭志強領導的九人研究團隊,耗時一年半研發出名爲“異步編碼電子皮膚”(Asynchronous Coded Electronic Skin)的人工神經系統。

觸覺比人體皮膚靈敏1000倍

這套模擬人類神經感官系統的電子皮膚系統,觸覺比人體皮膚靈敏1000倍,能夠在60納秒內分辨傳感器傳回的數據,並在10毫秒內准確區別出所觸碰物體的形狀、質感、溫度和硬度,遠遠超過現有技術。若裝在義肢上,系統能讓使用者更快速地對周邊環境作出反應。

此外,這套系統獨特的設計使它比別的電子皮膚更耐用,就算輕微受損,如被撕裂等,也不影響運作。這是因爲系統由若幹獨立的傳感器組成,而每個傳感器都通過一個共同的導電體來傳輸信號,只要任何一個傳感器和共同導電體仍相連,電子皮膚就能正常運作。

鄭志強表示,義肢在使用過程中常被摩擦,但現有的電子皮膚並不耐用,任何損壞都會導致整個傳感器網絡癱瘓,因此也難制成較大尺寸的産品。

此外,一般電子皮膚價格昂貴,每個傳感器要幾千元。長期而言,修補或更換電子皮膚對使用者是一筆很大的開銷。

目前研究團隊正與研究義肢的生物電子學家探討如何進一步結合雙方的成果,造福有需要的群體。

鄭志強透露,他們已有計劃明年在一名外國病患的義手手掌上測試這項技術,以評估這套電子皮膚系統爲患者提供觸覺的效果。

除了開發更智能的義肢,這項科技也可用于制造有觸覺的機器人,能協助救災或加強工廠的自動化程序。

鄭志強表示,有觸覺的機器人在災難區救人將更易探測得到生還者,而在工廠裏進行包裝工作時將懂得以不同力度處理不同材質的貨物。

團隊兩年前申請了專利。這項研究今天也刊登在國際知名科學期刊《科學》屬下的《科學·機器人學》(Science Robotics)上。

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