让假肢也有触觉，只需加上这个……

　　目前的假肢还不能将复杂的感觉如手感或疼痛传递给使用者，但是，约翰·霍普金斯医学院的科学家们最近取得了突破性进展，人造手上的一层合成皮肤直接向使用者传递疼痛感，这让我们离目标又近了一步。

　　疼痛很糟糕，但是如果没有这种极其宝贵的感觉，我们就会迷失方向。

　　"疼痛能让我们感觉到某些东西可能是有害的，比如锋利的刀刃，从而保护我们的身体不受伤害。"这项新型研究的共同作者，约翰霍普金斯大学生物医学工程系研究生Luke Osborn告诉Gizmodo。"对假肢而言，没有任何疼痛的概念，这就有可能造成损伤，我们找到了一种方法，可以给假肢和截肢患者提供有意义的疼痛感。"

　　与JHU神经工程师Nitish Thakor一起工作时，Osborn和他的同事开发了一种称为e-dermis的系统 - 一种类似皮肤的层，使假肢能够感知触觉和疼痛。施加在e-dermis的压力通过植入假体上方手臂中的电神经刺激器传递至使用者的大脑，从而让系统模拟真实的感觉。在e-dermis系统的测试中，一名截肢志愿者表示，他可以分辨出圆形或尖锐物体之间的差异，并说再严重程度上疼痛的感觉是十分之三。这项研究今天发表在《科学机器人》杂志上。

　　使用假肢的人可以使用这些疼痛信号来避免损伤他们的假肢，就像他们使用疼痛警告来避免伤害身体的其他部位一样。尖锐的物体和热量可能会破坏人造手的指尖或造成其美观或皮肤状覆盖物的损坏。对假肢的严重损害可不是闹着玩的，因为一些较昂贵的设备可能要花费超过70,000美元或更多。更重要的是，能够感知周围环境的假肢增加了它的实用性。

　　显然，疼痛是不愉快的，我们应该努力减少人们经常接触到的疼痛量。正如新研究的作者所承认的那样，理想的假体将"允许使用者保持完全的控制"，并在需要时选择"关闭疼痛反应"。例如，用户应该能够关闭疼痛功能，当肢体感觉有什么东西在造成伤害时，内置的疼痛反射会自动进入。这是最终的目标，但与此同时，JHU的研究人员正在寻求创造更加逼真的假肢，能够提供丰富多样的触觉信息，包括疼痛。

　　如上所述，现代假体不提供有意义的触觉反馈或知觉，因此使用者不能分辨物体是粗糙的，光滑的，尖锐的，冷的还是热的。为了克服这些缺陷，JHU的研究人员通过模仿疼痛在自然皮肤上的作用方式建立了他们的e-dermis设备。具体来说，他们模拟了皮肤内称为伤害感受器的神经细胞处理疼痛的方式，并通过机械感受器将产生的信号传递给大脑进行加工(更重要的是，当我们在受伤处感到疼痛时，真正的疼痛感是由大脑产生的)。

　　我们通过皮肤的感受器感到疼痛，"Osborne说。"我们有所谓的机械感受器，它能把我们接触到的任何东西的信息发送到我们的大脑，这就是为什么我们可以感受到压力或质地的原因，另一方面，当我们接触到尖锐的东西或有伤口时，能传达疼痛的感觉。我们建立了一个多层电子真皮或e-dermis，试图模仿这些不同受体的行为。"

　　e-dermis系统图

　　为了使其发挥作用，研究人员创建了一个神经形态系统 - 一种模拟神经系统电路行为的装置。在这种情况下，它们的神经形态模型将e-dermis的输出(即触摸一个物体时产生的触觉信息)转换成电脉冲或神经信号，从而复制了机械感受器和痛觉感受器的行为。然后用这些尖峰电刺激截肢志愿者的周围神经(即经皮神经刺激，或TNS)。当提供这种神经刺激时，志愿者能够在他的假手中感受到感觉。

　　在实验中，一个被截肢的志愿者可能会感受到压力，指尖的敲击，甚至是引起疼痛感觉的物体。他可以分辨出非痛苦和痛苦的触觉感知之间的区别，包括物体的曲率变化和尖锐的边缘。这位志愿者说，这些感觉就像是直接来自所谓的"幻手"在实验过程中进行的脑电图扫描似乎表明，参与者的大脑中与手有关的区域被激活。

　　JHU研究人员记录了哪些刺激令使用者感到疼痛，哪些感觉更像正常的触摸。要求志愿者使用从-1到10的等级评定幻手感知感觉的不适，其中-1是令人愉快或愉快的，1是非常轻微的疼痛，像是痒，2是令人不舒服的感觉掐，3是不舒服，但可以忍受，就像意外切割，等等，在这个实验中，最高水平的疼痛被评为3。

　　志愿者执行感知任务

　　"这项工作最令人惊讶的方面之一是能够识别不同的刺激模式，在截肢志愿者的幻手中产生不同的感觉，"Osborn说。在这种情况下，这些感觉是压力或疼痛。"

　　为了使系统更加逼真，研究人员还为系统添加了自动疼痛反射。研究人员在研究报告中写道，当义肢触及锋利的物体时，手指会自动抽搐，以"防止损伤和进一步的疼痛"。重要的是，志愿者无法控制这些反射动作。

　　斯坦福大学的博士后研究员Sharlene Flesher博士没有参与这项新研究，他说这项新研究是"一项非常完整的工作"，而且"他们呈现的进展是稳固的。"也就是说，她觉得脑电图结果是"愚蠢的"。

　　"他们声称这证明了参与者能感觉到左手的感觉，但是脑电图并没有提供空间上的准确性。"Flesher告诉Gizmodo。"结果一致认为，这些感觉是在身体左侧的某个部位，可能在手臂的某个地方，我不认为从脑电图报告中可以看出是在手上。我希望看到他们如何绘制这些感觉的细节，但他们似乎在寻找刺激点方面做得很好，这些刺激点能唤起幻手的感觉。"

　　至于制造让用户感到疼痛的假肢，Flesher同意触发全面疼痛不应该成为目标。

　　"疼痛是否应该被传递是很有趣的，他们在这里也有这种感觉。"如果假肢能够识别"痛苦"的情况并将其最小化，那么是否真的需要将不适传递给用户?我认为，如果他们将疼痛感控制在一个信息范围内，在这个范围内，疼痛感不会引起太大的疼痛，反而会分散人们的注意力，那么疼痛感是很有用的。"她说。"但是，它们也会引起不同的感觉，比如压力和刺痛感，所以一种合理的无痛选择是让刺痛感暗示着疼痛，也就是说，如果它们能引起疼痛，压力和刺痛，那么使用这三者可以传达更多信息。"

　　这是一项非常有前途的工作，但触摸还有许多其他方面。展望未来，JHU研究人员希望探索其他可以通过感觉反馈提供的感知，包括温度和本体感觉(比如知道我们身体部位的相对位置，比如手臂高于头部)。

　　Osborn说："通过增加不同的感觉，我们可以继续改善上肢假肢，使其更加实用和逼真。"