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FDA正式批准人造皮肤,“电子皮肤、智能假肢”时代何时到来?

本文作者:亚峰 2021-06-20 14:41
导语:终极智能=生命科学 + 材料学 + 信息科学

FDA正式批准人造皮肤,“电子皮肤、智能假肢”时代何时到来?

近日,美国食品与药品监督管理局(FDA)批准了全新“人造皮肤”产品:StrataGraft,用于成人热烧伤患者的皮肤移植。

对于烧伤患者而言,常见的治疗方式是去除损坏皮肤,然后摘取患者的健康皮肤,进行移植。

然而,皮肤移植手术随时可能带来感染风险,并在获取健康皮肤的部位造成新的伤口。

烧伤患者的福音:人造皮肤

StrataGraftr人造皮肤产品,由真皮成纤维细胞和角质形成细胞组成,两种皮肤细胞共同生长,形成了双层结构,提供活细胞,支持机体自身的愈合能力。

使用人造皮肤产品后,患者自身的皮肤细胞,会逐渐取代因烧伤而损坏的皮肤细胞。

根据3期临床试验统计,71名烧伤面积达3%-37%的患者,经StrataGraft治疗后,68人的烧伤部位,不需要“拆东墙补西墙式”的皮肤移植,其中83%的患者实现了持久的伤口闭合。

在不良反应方面,StrataGraft与常规的自体移植方法,表现差异并不大,均会出现常见的瘙痒、水泡、肥厚性疤痕和愈合受损症状。

由于StrataGraft在产品开发的早期阶段使用了动物细胞,因此存在传播传染病或病原体的风险。但在临床研究过程中,未出现患者对StrataGraft产生排斥反应的情况,也没有患者因不良反应而停止参与研究。

Mallinckrodt执行副总裁兼首席科学官Steven Romano,此前在接受采访时谈到:“帮助减少或消除自体移植需要的治疗进步是非常必要的。”

截肢患者的福音:电子皮肤

移植的皮肤,随着时间的增长,血液循环以及神经末梢会逐步建立,但如果表皮以下皮肤出现了较为严重的神经坏死,即便是移植而来的新皮肤,也可能会没有触觉。

当我们无法通过医学手段,恢复触觉,那能否通过在人造皮肤上覆盖一层超薄传感器,让其模拟真实触感,并反馈到大脑?

更甚者,能否利用“人造电子皮肤”,覆盖在截肢患者的假肢上,从而让患者的假肢拥有触觉、压力、温度等感知能力。

2020年,知名科学家鲍哲南院士在腾讯WE大会上讲到:“我一生中最美好的记忆是,当我把我的小孩抱在怀中,轻轻抚摸他柔软的小手和小脸的时候。如果妈妈不能抚摸她的孩子,或者在厨房做饭时被烫伤也没感觉,你可以想象吗?这就是戴着假肢、没有感觉的病人每天所经历的。”

让电子皮肤变为现实,已经成为鲍哲南等科学家们一致的梦想。

鲍哲南介绍到,“电子皮肤” 需要解决三大最重要的问题:

第一,电子材料必须像皮肤一样的柔软,可以拉伸甚至自修复、生物降解;

第二,能够真正感受到不同的物体;

第三,电子皮肤的信号需要能够被大脑识别。

从材料角度讲,需要通过分子的设计,得到不同的材料。

分子由原子组成,当分子排列成不同的序列时,便带来了不同的性能,比如拥有金属性能,或者具有可拉伸性。

但如果这些分子所做成的材料质地刚硬,当人在运动时,要么会束缚,要么则发生化学键断裂,导致电子器件无法工作。

因此,鲍哲南团队提出用可以自行修复化学键的新型材料,即使化学键断裂,也会自行重新修复,让其具备可拉伸性和自修复性,甚至有生物降解的性能。

材料问题解决后,第二步需将这些材料,做成灵敏的传感器,识别压力、形状和温度。

它既需要有灵敏度,也需要可以分辨外界不同的信号。

“早期团队开发了一个可以测压力的金字塔型传感器。当传感器的塔尖受到压力时,塔尖变形使得电信号改变;压力加大时,塔底变形使得电信号的改变加大,这样就可以测出不同的压力。”

除了分辨压力外,电子皮肤还要能辨别形状。在压力传感器上,加一层可以变形的薄膜,就可以检测出变形,从而分辨出是一个草莓还是一个苹果。

鲍哲南团队还开发了一个温度传感器,当温度升高的时候,该材料会膨胀使金属颗粒分开,从而让导电力发生变化。

最后一步是让 “电子皮肤” 的信号被大脑识别。

“人类大脑,所接受的从皮肤来的信号,是电的脉冲信号,所以我们所做的人造皮肤,也必须能够把传感器所得到的信号,改变成脉冲的信号。”

有了这个信号之后,还需要把它与神经相连,通过神经传输到大脑。“所以人造皮肤必须非常柔软,必须不伤害到我们的神经或者大脑。” 鲍哲南讲述到。

该研究已经取得了实质性进展。鲍哲南团队把材料植入小老鼠的身体,小老鼠仍可以正常地生活,这证明 “人造皮肤” 确实可以和生物体系相容。

虽然要真正用到人的身上还需要一段时间,但已经证实 “人造皮肤” 理念的可行性。

鲍哲南说:“我们现在已经有一系列的材料和电子器件,使得我们可以证实人造皮肤是可以做成的。”

“电子皮肤”下一站:智能假肢

电子皮肤,本质上是,重建人的触觉。

那么残疾人,能否安装“智能假手、假腿”,让其假肢,除了拥有触觉外,还能进行抓取等操作行为?

目前可部分实现的是,通过在机械手上安装AI摄像头等传感设备,在人发出指令后(如类似于智能音箱的语音指令),智能假肢上的摄像头,会通过识别目标对象,然后进行简单的指定性操作。

但这类实现方式,并不自然,更像是人操作一个工具,而不是让工具融为人的一部分,用大脑的意念便可控制和感受,与真肢一样。

要走到这一步,则涉及到极其复杂的双向脑机接口技术。

假设大脑要让机械手做“开门”这一看似非常简单的动作,可分解为:用手抓住门把手,然后旋转。

首先,需要脑机接口,接收到大脑“开门”的意念信号,并将其变成无线电信号,传递到机械手上。

另一方面,机械手也要将握着门把手的压力信号,以及旋转时把手松紧、肌肉控制的感觉,传回到大脑中。

也就是说,它不仅需要把机械手接受到的信号,传输给大脑,同时要采集大脑的“指挥”信号,来控制目标物体。实现大脑与“机械手+物体”的双向通信。

这需要让大脑发出的信号和得到的反馈,匹配得尤为精确。让机械手握门把手的力度,与大脑中形成的感觉和真手一致,否则发生的情况,可能是人脑中感觉自己已经把门把手抓得很紧了,但实际上,一转动后,机械手就滑手了。

以更难控制力度的“抓鸡蛋”为例。

其原理大致为,手指的传感器在测量到压力后,要把信号传递到大脑中的感知皮层电极,在大脑处理好信息后,再通过运动皮层电极,将信息传出去,以这个信息控制手部肌肉抓取鸡蛋。

一开始,传感器感知到的力度和手真正抓的力度若不一致,鸡蛋要么抓不紧,要么被捏碎,而接下来的过程中,需要利用AI提升传感器的准确度和精度。

目前来说,用双向脑机接口的形式,让假肢变得和真肢一样:可感、可控,还为时尚早。但通过指令,以操控工具的形式,去控制假肢的时代,即将到来。

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内容参考:

http://www.biodiscover.com/news/research/738411.html

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1682767204927559794&wfr=spider&for=pc

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