Мы воспринимаем окружающий мир посредством набора сенсорных систем, преобразующих те или иные раздражители в данные, совокупность которых формирует картину происходящего вокруг. Единого мнения касательно того, какие из органов чувств самые важные, нет. Чаще всего этот статус приписывают глазам, но и про кожу забывать не стоит. Температура, боль, давление, вибрация — все это мы воспринимаем кожей и ее производными. Возможно это благодаря многочисленным рецепторам, каждый из которых отвечает за свое ощущение.

Искусственно воссоздать столь сложную систему непросто, но вполне возможно. Ученые из Массачусетского технологического института (США) разработали устройство, имитирующее тактильное восприятие, превосходящее в простоте изготовления, эффективности и точности своих предшественников.

Чем новое устройство отличается от предыдущих, насколько оно близко по восприятию к настоящей коже, и где можно применить эту разработку? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Как было сказано ранее, в коже человека уйма рецепторов, которые можно группировать по их функциям: механорецепторы — прикосновение; ноцицепторы — боль; терморецепторы — температура. Дабы имитировать динамическую и микромеханическую сенсорную функцию кожи, многие современные искусственные эквиваленты имеют слоистую структуру. Они часто состоят из двух электродов, разделенных пьезорезистивным, диэлектрическим или пьезоэлектрическим слоем.

Подобные системы работают вполне исправно и показывают хорошие результаты. Однако, по словам ученых, их создание зачастую связано со сложными протоколами синтеза материалов, а также требуют дополнительной инкапсуляции для поддержания гидратированной среды.

Стоит также отметить, что точность подобных устройств, прикрепляемых к коже человека для считывания тактильной информации, может быть значительно снижена за счет слоя мертвых клеток (рогового слоя). Кроме того, из-за незначительных смещений, возникающих между электродами и кожей, присутствует электрический шум, понижающий качество записываемых сигналов.

К примеру, умные часы или фитнес-браслеты могут показывать пользователю его сердечный ритм. Это возможно за счет фотоплетизмографических (ФПГ) датчиков, которые обнаруживают изменения объема крови в тканях с помощью фотодетектора. Но точность таких устройств сильно зависит от стабильности контакта между устройством и кожей пользователя, от условий окружающей среды и от эктопических (вне сердца) ударов. Следовательно, использование таких устройств, к примеру, в диагностики крайне ограничено из-за недостаточной точности.

Если искусственные системы требуют инкапсуляции для поддержания гидратированной среды, то у кожи это является естественным эффектом. Другими словами, кожа всегда влажная (в той или иной степени) благодаря наличию потовых желез и пористости рогового слоя. Каналы для пота функционируют как насосы, выталкивающие пот к поверхности кожи, а пот проникает в пористый роговой слой в результате высокого давления в канале и/или диффузии. Поскольку пот содержит множество ионов, таких как Na+ и Cl−, в концентрации порядка 10 мМ, ионная проводимость рогового слоя увеличивается, если он пропитан потом.

Следовательно, при контакте металлического электрода и кожи, свободные электроны служат носителями заряда, в то время как потоки ионов вносят вклад в проводимость в ткани для обмена электронными и ионными сигналами. Это естественный ионно-электронный интерфейс, поскольку ионы, участвующие в течении тока через пот и межклеточную жидкость, накапливаются на этих интерфейсах, за чем следует нарастание разности потенциалов на клеточной мембране, направление которой противоположно приложенному напряжению.

Сбор биоэлектрических сигналов посредством приложения к коже электродов используется в медицине уже много лет (к примеру, ЭКГ). Интерфейс электрод-кожа носит именно ионно-электронный характер. Однако подобный интерфейс не использовался для сбора тактильной информации. А если учесть, что кожа человека обладает естественной способностью к внутреннему ионному обмену и водонепроницаемой защитной оболочкой эпидермиса, то это делает ее идеальным кандидатом для замены сенсоров на основе синтетического проводящего геля.

В рассматриваемом нами сегодня труде, ученые использовали перенос ионов в живых системах для создания механочувствительной системы SEMS (skin-electrode mechanosensing structure), которая состоит из двух электродов и кожи.