近日，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)助理教授和合作者研發(fā)出一款無線觸覺傳感系統(tǒng)，它由三個(gè)部件組成：

部分是一個(gè)平行板電容力傳感器，包含一個(gè)上層二氧化硅板、一個(gè)中層二氧化硅板和兩板間的空隙；

第二部分是一個(gè)微型的無線傳輸模塊，可用于完成植入傳感器、以及可穿戴信號(hào)中繼單元之間的能量通信和數(shù)據(jù)通信；

第三部分是具有生物相容性和隔絕水汽的封裝，即通過激光熔合技術(shù)，將傳感器和電路封裝在二氧化硅晶片中。

封裝之后的系統(tǒng)尺寸為直徑 6 毫米、厚度 1.7 毫米，外觀是一個(gè)圓形結(jié)構(gòu)。通過一個(gè)側(cè)面皮膚切口，課題組把傳感系統(tǒng)植入到獼猴手的指尖末節(jié)下方并縫合皮膚。

經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，植入的電容傳感系統(tǒng)的靈敏度為 0.8pF/N，且擁有良好的可重復(fù)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

隨后，該團(tuán)隊(duì)在動(dòng)物身上開展了針對(duì)植入式傳感系統(tǒng)的耐受性研究。他們把一個(gè)直徑 3 毫米的傳感器模型植入到獼猴的指尖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)創(chuàng)傷在 3 周內(nèi)愈合，獼猴沒有并發(fā)癥和感染跡象，表現(xiàn)出了優(yōu)良的耐受性，且沒有出現(xiàn)其他不適或自傷行為的跡象。

從體外實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)來看，這款植入式電容傳感器系統(tǒng)的外形尺寸十分適合在指尖皮下植入，并且可以準(zhǔn)確地測(cè)量觸覺力。

總的來說，本次成果為失去觸覺感知能力的癱瘓病人提供了一種實(shí)現(xiàn)觸覺和運(yùn)動(dòng)恢復(fù)的新途徑，能在廣泛的觸覺壓力范圍之內(nèi)提供優(yōu)秀且穩(wěn)定的敏感性。

同時(shí)，其所采用的生物兼容封裝，對(duì)于可植入感知系統(tǒng)的研究有廣泛的實(shí)用價(jià)值，尤其是將有希望改變癱瘓人群的生活。

根據(jù)衛(wèi)生組織的估計(jì)，范圍內(nèi)有數(shù)百萬(wàn)人患有不同程度的癱瘓。許多人遭受性的手臂和手部功能障礙。這些幸存者無法執(zhí)行日常生活的基本活動(dòng)，而且他們中的 85% 失去了就業(yè)機(jī)會(huì)。

除了失去工作機(jī)會(huì)之外，四肢癱瘓患者的終身護(hù)理成本超過了 2 百萬(wàn)美元。因此，家庭和社會(huì)承擔(dān)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)相當(dāng)巨大。

癱瘓時(shí)，脊椎神經(jīng)系統(tǒng)的損傷或功能障礙會(huì)中斷大腦和肌肉之間的通信，導(dǎo)致肌肉控制受損并通常伴隨感覺喪失。

癱瘓患者要想恢復(fù)日常活動(dòng)，就需要兩方面的硬件基礎(chǔ)，一是需要對(duì)肌肉進(jìn)行受控刺激以誘發(fā)運(yùn)動(dòng)，二是需要傳感器向大腦提供手與物體互動(dòng)的體感反饋。

近年來，已有學(xué)者進(jìn)行相關(guān)的研究，利用腦機(jī)接口控制的刺激，癱瘓患者可以在沒有感覺的情況下恢復(fù)手的運(yùn)動(dòng)能力。

然而，將感覺反饋引入這些腦機(jī)接口控制的刺激仍然是一個(gè)未解決的挑戰(zhàn)。雖然可穿戴傳感器可以為傳遞觸覺功能提供潛在解決方案，但它們也伴隨著一些不足之處，如使用壽命有限、在下雨洗澡等場(chǎng)景下使用不便、以及美觀度不佳等。

在本次研究之中等人另辟蹊徑，以患者的全天候使用為前提，并把目標(biāo)定為：開發(fā)植入式觸覺傳感器系統(tǒng)，幫助癱瘓患者實(shí)現(xiàn)正常人生活狀態(tài)下的手部觸覺。

即通過傳感器將捕獲的信號(hào)無線傳輸?shù)?/span>腦，腦則能激活傳感器對(duì)應(yīng)的體感區(qū)域，從而完成與脊椎神經(jīng)信號(hào)反饋相同的功能，并產(chǎn)生觸覺。

自 2017 年立項(xiàng)以來，該團(tuán)隊(duì)逐步攻克了一個(gè)又一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，包括用于運(yùn)動(dòng)感知和神經(jīng)刺激的可植入式微電子機(jī)械系統(tǒng)傳感器，用于信號(hào)和能量通信的超低功耗的無線集成電路，以及神經(jīng)和肌肉行為的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)等。

研究伊始，他們探索了如何匹配醫(yī)學(xué)和工程之間的接口。將醫(yī)生對(duì)于性能的要求（如尺寸符合植入需求、測(cè)量范圍滿足日常使用、生物可兼容）轉(zhuǎn)換到具體器件上。

后來，他們從美國(guó)食品及藥物管理局批準(zhǔn)的植入式醫(yī)療系統(tǒng)著手尋找合適的可植入材料，考慮了加工過程與電路的可兼容性和可滿足長(zhǎng)期植入的氣密性封裝，通過仿真確認(rèn)了滿足尺寸要求的器件測(cè)量原理、量程、靈敏度。

來源：傳感器專家網(wǎng)