Science：新研究让截肢者的假肢成功地进行温度反馈

瑞士洛桑联邦理工学院的Silvestro Micera和Solaiman Shokur一直热衷于将新的感官反馈纳入假肢，以便为截肢者提供更真实的触感。在一项新的研究中，他们着重关注温度。他们偶然发现了一个关于温度反馈的发现，远远超出了他们的预期。相关研究结果发表在2023年5月19日的Science期刊上，论文标题为“Restoration of natural thermal sensation in upper-limb amputees”。

如果你把热的或冷的东西放在一个完整的人的前臂上，这个人将直接在他们的前臂上感受到物体的温度。但是对于截肢者来说，残余手臂上的温度感觉可能会在假肢（phantom limb，也称为幻肢）的手上感受到。

通过放置在截肢者的残余手臂皮肤上的热电极（thermode）非侵入性地提供温度反馈，截肢者报告说他们在假肢中感觉到了温度。他们可以感觉到一个物体是热的还是冷的，并能分辨出他们接触的是铜、塑料还是玻璃。这种感知温度的技术在27名患者中的17名中成功进行了测试。Shokur解释说，“特别重要的是，病人认为假肢的温度感觉与他们完整的手所经历的温度感觉相似。”

迈向逼真的仿生触摸

将温度感觉投射到假肢中导致了新的仿生技术的发展，这种技术为假肢配备了非侵入性的温度反馈，使截肢者能够辨别他们所触摸的东西。

Micera说，“温度反馈对于传递不限于触摸的信息是至关重要的，它导致了亲情的感受。我们是社会人，温暖是其中重要的一部分。在我的实验室进行了多年的研究，显示触摸和位置信息可以成功传递之后，我们首次设想了恢复一个人的自然手所能提供的所有丰富感觉的可能性。”

温度反馈，从福祉到假肢

几年前，Micera和Shokur得到了一种可以通过健康受试者的皮肤提供温度反馈的系统，该系统也是由洛桑联邦理工学院开发的，并由Metaphysiks公司进行销售。

Metaphysiks公司一直在开发神经触觉技术---MetaTouch，它将身体与数字世界联系起来。MetaTouch结合了触摸和温度反馈，增强了物理产品所带来的幸福感。Metaphysiks公司联合创始人兼技术主管Simon Gallo说，“这一突破突出了触觉技术改善医疗条件和提高残疾人生活质量的力量。”

在这项新的研究中，这些作者借鉴了MetaTouch，直接向用户的皮肤提供热反馈。通过这个设备，他们实现了让假肢提供温度反馈，随后在27名截肢者身上进行了测试。

Minitouch原型和测试

为了这项研究，Shokur和Micera开发了MiniTouch，这是一种提供热反馈的设备，专门为整合到像假肢这样的可穿戴设备而制造。MiniTouch由一种薄的、可穿戴的传感器组成，可以放在截肢者的假肢手指上。这种手指传感器检测被触摸物体的热信息，更确切地说，是物体的导热性。

图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.adf6121。

如果物体是金属的，它自然会比塑料等物体传导更多的热或冷。一个与截肢者残余手臂上的皮肤接触的热电极，会加热或冷却，转达被这种手指传感器触摸到的物体的温度剖面。

论文共同作者Federico Morosato说，“当我们提出在假肢上找回温度感觉的可能性，或感觉与不同材料接触的可能性时，我们获得了很多积极的反馈。最终，我们能够在不到两年的时间里招募到超过25名志愿者。”

这些作者发现，残留手臂上的小块皮肤会投射到假肢的特定部位，如拇指或食指尖。正如预期的那样，他们发现残留的手臂和整个投射的假肢之间的温度感觉映射对每名患者来说都是独一无二的。

用于修复人体的仿生假肢（bionic prosthetics）

近十年前，Micera及其同事们提供了关于被抓取物体的实时感觉反馈。他们继续以可靠的方式提供关于物体纹理和位置信息的反馈，从而提高触摸分辨率。此外，他们发现，如果向截肢者提供直接进入其完整神经系统的感觉反馈，他们的假肢就会开始体现出来。

增加的温度反馈感觉是向建立修复人体的仿生假肢迈出的又一步。下一步将对温度感觉进行微调，并将这些感觉整合到可以映射到每名患者的可穿戴设备中，这也是下一步工作的一部分。

参考资料：

Francesco Iberite et al. Restoration of natural thermal sensation in upper-limb amputees. Science, 2023, doi:10.1126/science.adf6121.