Gli amputati spesso provano la sensazione di un "arto fantasma", la sensazione che una parte del corpo mancante sia ancora lì.

Quell'illusione sensoriale è più vicina a diventare realtà grazie a un team di ingegneri della Johns Hopkins University che ha creato una pelle elettronica. Quando sovrapposto alle mani protesiche, questo e-derma riporta un vero senso del tatto attraverso la punta delle dita.

"Dopo molti anni, ho sentito la mia mano, come se un guscio vuoto si riempisse di nuovo di vita, " dice l'anonimo amputato che è stato il principale tester volontario della squadra.

Realizzato in tessuto e gomma allacciato con sensori per imitare le terminazioni nervose, e-dermis ricrea il senso del tatto e il dolore rilevando gli stimoli e trasmettendo gli impulsi ai nervi periferici.

"Abbiamo realizzato un sensore che va sulla punta delle dita di una mano protesica e agisce come farebbe la tua pelle, "dice Luke Osborn, uno studente laureato in ingegneria biomedica. "È ispirato da ciò che sta accadendo nella biologia umana, con recettori sia per il tatto che per il dolore.

"Questo è interessante e nuovo, " Osborn ha detto, "perché ora possiamo avere una mano protesica che è già sul mercato e adattarla a un e-derma che può dire a chi lo indossa se sta raccogliendo qualcosa che è rotondo o se ha punte acuminate".

Il lavoro—pubblicato il 20 giugno sulla rivista Robotica scientifica - mostra che è possibile ripristinare una gamma di naturali, sensazioni basate sul tocco per gli amputati che utilizzano arti protesici. La capacità di rilevare il dolore potrebbe essere utile, ad esempio, non solo nelle mani protesiche ma anche nelle protesi degli arti inferiori, avvisare l'utente di potenziali danni al dispositivo.

La pelle umana contiene una complessa rete di recettori che trasmettono una varietà di sensazioni al cervello. Questa rete ha fornito un modello biologico per il gruppo di ricerca, che comprende membri dei dipartimenti di ingegneria biomedica della Johns Hopkins, Ingegneria Elettrica e Informatica, e Neurologia, e dall'Istituto di neurotecnologia di Singapore.

Dare un tocco più umano ai moderni progetti protesici è fondamentale, soprattutto quando si tratta di incorporare la capacità di provare dolore, Osborn dice.

"Il dolore è, Certo, antipatico, ma è anche essenziale, senso protettivo del tatto che manca nelle protesi attualmente a disposizione degli amputati, " dice. "I progressi nella progettazione delle protesi e nei meccanismi di controllo possono aiutare la capacità di un amputato di recuperare la funzione perduta, ma spesso mancano di significato, feedback tattile o percezione."

È qui che entra in gioco l'e-derma, trasmettere informazioni all'amputato stimolando i nervi periferici del braccio, dando vita al cosiddetto arto fantasma. Il dispositivo e-dermis fa questo stimolando elettricamente i nervi dell'amputato in modo non invasivo, attraverso la pelle, dice l'autore senior del giornale, Nitish Thakor, professore di ingegneria biomedica e direttore del Laboratorio di strumentazione biomedica e neuroingegneria presso la Johns Hopkins.

"Per la prima volta, una protesi può fornire una gamma di percezioni, dal tocco sottile al nocivo all'amputato, rendendolo più simile a una mano umana, "dice Thakor, co-fondatore di Infinite Biomedical Technologies, la società con sede a Baltimora che ha fornito l'hardware protesico utilizzato nello studio.

Ispirato dalla biologia umana, l'e-dermis consente all'utente di percepire uno spettro continuo di percezioni tattili, dal tocco leggero allo stimolo nocivo o doloroso. Il team ha creato un "modello neuromorfo" che imita i recettori del tatto e del dolore del sistema nervoso umano, permettendo all'e-derma di codificare elettronicamente le sensazioni proprio come farebbero i recettori nella pelle. Monitoraggio dell'attività cerebrale tramite elettroencefalografia, o EEG, il team ha stabilito che il soggetto del test era in grado di percepire queste sensazioni nella sua mano fantasma.

I ricercatori hanno quindi collegato l'output dell'e-derma al volontario utilizzando un metodo non invasivo noto come stimolazione nervosa elettrica transcutanea, o DECINE. In un compito di rilevamento del dolore, il team ha stabilito che il soggetto del test e la protesi erano in grado di sperimentare un naturale, reazione riflessiva sia al dolore quando si tocca un oggetto appuntito che al non dolore quando si tocca un oggetto rotondo.

L'e-derma non è sensibile alla temperatura:per questo studio, il team si è concentrato sul rilevamento della curvatura dell'oggetto (per la percezione del tatto e della forma) e della nitidezza (per la percezione del dolore). La tecnologia e-dermis potrebbe essere utilizzata per rendere i sistemi robotici più umani, e potrebbe anche essere usato per espandere o estendere ai guanti e alle tute spaziali degli astronauti, Osborn dice.

I ricercatori hanno in programma di sviluppare ulteriormente la tecnologia e comprendere meglio come fornire informazioni sensoriali significative agli amputati nella speranza di rendere il sistema pronto per un uso diffuso sui pazienti.

Johns Hopkins è un pioniere nel campo delle protesi destre per arti superiori. Più di un decennio fa, il Laboratorio di Fisica Applicata dell'università ha guidato lo sviluppo dell'avanzato arto protesico modulare, che un paziente amputato controlla con i muscoli e i nervi che un tempo controllavano il suo vero braccio o mano.

Oltre al finanziamento di Space@Hopkins, che promuove la collaborazione spaziale tra le divisioni dell'università, il team ha anche ricevuto sovvenzioni dall'Applied Physics Laboratory Graduate Fellowship Program e dall'Iniziativa di formazione in neuroingegneria attraverso l'Istituto nazionale di imaging biomedico e bioingegneria attraverso il National Institutes of Health con la sovvenzione T32EB003383.

L'e-derma è stato testato nel corso di un anno su un amputato che si è offerto volontario nel Laboratorio di Neuroingegneria della Johns Hopkins. Il soggetto ha ripetuto frequentemente il test per dimostrare percezioni sensoriali coerenti tramite l'e-derma. Il team ha lavorato con altri quattro volontari amputati in altri esperimenti per fornire un feedback sensoriale.