Geamputeerden ervaren vaak het gevoel van een "spooklidmaat" - een gevoel dat een ontbrekend lichaamsdeel er nog steeds is.

Die zintuiglijke illusie komt dichter bij realiteit dankzij een team van ingenieurs van de Johns Hopkins University dat een elektronische huid heeft gecreëerd. Wanneer gelaagd bovenop prothetische handen, deze e-dermis brengt een echt tastgevoel terug via de vingertoppen.

"Na vele jaren, Ik voelde mijn hand, alsof een holle huls weer gevuld wordt met leven, ", zegt de anonieme geamputeerde die diende als de belangrijkste vrijwillige tester van het team.

Gemaakt van stof en rubber met sensoren om zenuwuiteinden na te bootsen, e-dermis herschept een gevoel van aanraking en pijn door prikkels waar te nemen en de impulsen terug te sturen naar de perifere zenuwen.

"We hebben een sensor gemaakt die over de vingertoppen van een prothetische hand gaat en werkt zoals je eigen huid zou doen, " zegt Luke Osborn, een afgestudeerde student in de biomedische technologie. "Het is geïnspireerd door wat er gebeurt in de menselijke biologie, met receptoren voor zowel aanraking als pijn.

"Dit is interessant en nieuw, "Osborn zei, "Omdat we nu een handprothese kunnen hebben die al op de markt is en deze voorzien van een e-dermis die de drager kan vertellen of hij of zij iets oppakt dat rond is of dat het scherpe punten heeft."

Het werk - gepubliceerd op 20 juni in het tijdschrift Wetenschap Robotica - laat zien dat het mogelijk is om een ​​reeks natuurlijke, op aanraking gebaseerde gevoelens voor geamputeerden die prothetische ledematen gebruiken. Het vermogen om pijn te detecteren kan nuttig zijn, bijvoorbeeld, niet alleen in prothetische handen, maar ook in prothesen van de onderste ledematen, om de gebruiker te waarschuwen voor mogelijke schade aan het apparaat.

De menselijke huid bevat een complex netwerk van receptoren die een verscheidenheid aan sensaties doorgeven aan de hersenen. Dit netwerk leverde een biologisch sjabloon voor het onderzoeksteam, waaronder leden van de Johns Hopkins-afdelingen van Biomedical Engineering, Elektrotechniek en computertechniek, en neurologie, en van het Singapore Institute of Neurotechnology.

Het is van cruciaal belang om een ​​meer menselijk tintje te geven aan moderne prothetische ontwerpen, vooral als het gaat om het opnemen van het vermogen om pijn te voelen, zegt Osborn.

"Pijn is, natuurlijk, onaangenaam, maar het is ook een essentieel beschermende tastzin die ontbreekt in de prothesen die momenteel beschikbaar zijn voor geamputeerden, " zegt hij. "Vooruitgang in protheseontwerpen en controlemechanismen kan het vermogen van een geamputeerde helpen om verloren functie terug te krijgen, maar ze missen vaak betekenisvolle, tactiele feedback of perceptie."

Dat is waar de e-dermis binnenkomt, informatie overbrengen naar de geamputeerde door perifere zenuwen in de arm te stimuleren, het tot leven brengen van het zogenaamde fantoomlidmaat. Het e-dermis-apparaat doet dit door de zenuwen van de geamputeerde elektrisch te stimuleren op een niet-invasieve manier, door de huid, zegt de senior auteur van de krant, Nitish Thakor, een professor in biomedische technologie en directeur van het Biomedical Instrumentation and Neuroengineering Laboratory van Johns Hopkins.

"Voor de eerste keer, een prothese kan een scala aan percepties bieden, van fijne aanraking tot schadelijk tot een geamputeerde, waardoor het meer op een menselijke hand lijkt, " zegt Thakor, mede-oprichter van Infinite Biomedical Technologies, het in Baltimore gevestigde bedrijf dat de prothetische hardware leverde die in het onderzoek werd gebruikt.

Geïnspireerd door de menselijke biologie, de e-dermis stelt de gebruiker in staat om een ​​continu spectrum van tactiele waarnemingen waar te nemen, van lichte aanraking tot schadelijke of pijnlijke stimulus. Het team creëerde een "neuromorf model" dat de aanrakings- en pijnreceptoren van het menselijk zenuwstelsel nabootst, waardoor de e-dermis sensaties elektronisch kan coderen, net zoals de receptoren in de huid dat zouden doen. Hersenactiviteit volgen via elektro-encefalografie, of EEG, het team stelde vast dat de proefpersoon deze sensaties in zijn fantoomhand kon waarnemen.

De onderzoekers verbonden de e-dermis-output vervolgens met de vrijwilliger met behulp van een niet-invasieve methode die bekend staat als transcutane elektrische zenuwstimulatie, of TENS. Bij een pijndetectietaak, het team stelde vast dat de proefpersoon en de prothese een natuurlijke, reflexieve reactie op zowel pijn bij het aanraken van een puntig voorwerp als niet-pijn bij het aanraken van een rond voorwerp.

De e-dermis is niet temperatuurgevoelig - voor deze studie het team richtte zich op het detecteren van objectkromming (voor aanraking en vormwaarneming) en scherpte (voor pijnperceptie). De e-dermis-technologie kan worden gebruikt om robotsystemen menselijker, en het kan ook worden gebruikt om uit te breiden of uit te breiden tot astronautenhandschoenen en ruimtepakken, zegt Osborn.

De onderzoekers zijn van plan de technologie verder te ontwikkelen en beter te begrijpen hoe zinvolle sensorische informatie aan geamputeerden kan worden verstrekt in de hoop het systeem klaar te maken voor wijdverbreid gebruik door patiënten.

Johns Hopkins is een pionier op het gebied van vingerprothesen voor de bovenste ledematen. Meer dan een decennium geleden, het Applied Physics Laboratory van de universiteit leidde de ontwikkeling van de geavanceerde Modular Prosthetic Limb, die een geamputeerde patiënt bestuurt met de spieren en zenuwen die ooit zijn of haar echte arm of hand bestuurden.

Naast de financiering van Space@Hopkins, die ruimtegerelateerde samenwerking tussen de afdelingen van de universiteit bevordert, het team ontving ook subsidies van het Applied Physics Laboratory Graduate Fellowship Program en het Neuroengineering Training Initiative via het National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering via de National Institutes of Health onder subsidie ​​T32EB003383.

De e-dermis werd in de loop van een jaar getest op een geamputeerde die zich vrijwillig aanmeldde in het Neuroengineering Laboratory van Johns Hopkins. De proefpersoon herhaalde de test vaak om consistente zintuiglijke waarnemingen via de e-dermis aan te tonen. Het team heeft met vier andere geamputeerde vrijwilligers in andere experimenten samengewerkt om sensorische feedback te geven.