E-dermis gives sense of touch to fingertips of prosthetic hands / L'e-derma dà il senso del tatto alla punta delle dita delle mani protesiche

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

(Credit: Larry Canner/JHU)

Engineers at Johns Hopkins University have created e-dermis, a form of electronic skin that brings a sense of touch to the fingertips of prosthetic hands.

Made of fabric and rubber laced with sensors to mimic nerve endings, e-dermis is claimed to recreate a sense of touch – and pain – by sensing stimuli and relaying the impulses back to the peripheral nerves. The work has been published in Science Robotics.

“This is interesting and new, because now we can have a prosthetic hand that is already on the market and fit it with an e-dermis that can tell the wearer whether he or she is picking up something that is round or whether it has sharp points,” said Luke Osborn, a graduate student in biomedical engineering.

Human skin contains receptors that relay sensations to the brain, providing a biological template for the research team, which includes members from the Johns Hopkins departments of Biomedical Engineering, Electrical and Computer Engineering, and Neurology, and from the Singapore Institute of Neurotechnology.

Bringing a more human touch to modern prosthetic designs is critical, especially when it comes to incorporating the ability to feel pain, Osborn said.

Video credit: Science Robotics/AAAS

“Pain is, of course, unpleasant, but it’s also an essential, protective sense of touch that is lacking in the prostheses that are currently available to amputees,” he said. “Advances in prosthesis designs and control mechanisms can aid an amputee’s ability to regain lost function, but they often lack meaningful, tactile feedback or perception.”

E-dermis conveys information to the amputee by stimulating peripheral nerves in the arm, making so-called phantom limbs – where an amputee has the sensation that a missing body part is still there – come to life. According to JHU, e-dermis does this by electrically stimulating the amputee’s nerves in a non-invasive way, through the skin, said the paper’s senior author, Nitish Thakor, a professor of biomedical engineering and director of the Biomedical Instrumentation and Neuroengineering Laboratory at Johns Hopkins.

“For the first time, a prosthesis can provide a range of perceptions, from fine touch to noxious to an amputee, making it more like a human hand,” said Thakor, co-founder of Infinite Biomedical Technologies, the Baltimore-based company that provided the prosthetic hardware used in the study.

In order to restore a full spectrum of tactile sensations, the team created a “neuromorphic model” that mimicked the touch and pain receptors of the human nervous system. This allowed the e-dermis to electronically encode sensations just as the receptors in the skin would. Tracking brain activity via electroencephalography, the team determined that the test subject was able to perceive these sensations in his phantom hand.

The researchers then connected the e-dermis output to the volunteer by using transcutaneous electrical nerve stimulation. In a pain-detection task, the team determined that the test subject and the prosthesis were able to experience a natural, reflexive reaction to pain while touching a pointed object and non-pain when touching a round object.

The e-dermis was tested over the course of one year on an amputee who volunteered in the Neuroengineering Laboratory at Johns Hopkins.

“After many years, I felt my hand, as if a hollow shell got filled with life again,” said the anonymous amputee who acted as the team’s principal volunteer tester.

The researchers plan to further develop the technology and better understand how to provide meaningful sensory information to amputees in the hope of making the system ready for widespread use.

ITALIANO

Gli ingegneri della Johns Hopkins University hanno creato l'e-derma, una forma di pelle elettronica che dà un senso del tatto alla punta delle dita delle mani protesiche.

Realizzato in tessuto e gomma cucita con sensori per imitare le terminazioni nervose, l'e-derma è chiamato a ricreare un senso del tatto e del dolore attraverso il rilevamento di stimoli e la trasmissione degli impulsi ai nervi periferici. Il lavoro è stato pubblicato su Science Robotics.

"Questo è interessante e nuovo, perché ora possiamo avere una mano protesica che è già sul mercato e adattarla con un e-derma che può dire a chi lo indossa se sta raccogliendo qualcosa che è rotondo o se ha una forma a punti ", ha detto Luke Osborn, uno studente laureato in ingegneria biomedica.

La pelle umana contiene recettori che trasmettono sensazioni al cervello, fornendo un modello biologico per il gruppo di ricerca, che comprende membri dei dipartimenti Johns Hopkins di Ingegneria biomedica, Ingegneria elettrica e informatica e Neurologia e dell'Istituto di neurotecnologia di Singapore.

Portare un tocco più umano ai moderni progetti protesici è fondamentale, specialmente quando si tratta di incorporare la capacità di provare dolore, ha affermato Osborn.

"Il dolore è, ovviamente, spiacevole, ma è anche un senso del tatto essenziale e protettivo che manca nelle protesi attualmente disponibili per gli amputati", ha affermato. "I progressi nei progetti di protesi e nei meccanismi di controllo possono aiutare la capacità di un amputato di recuperare la funzione persa, ma spesso mancano di feedback o percezione sensati e tattili".

L'E-derma trasmette informazioni all'amputee stimolando i nervi periferici del braccio, facendo sì che i cosiddetti arti fantasma - dove un amputato ha la sensazione che una parte del corpo mancante sia ancora lì - prendono vita. Secondo JHU, l'e-derma lo fa stimolando elettricamente i nervi dell'amputato in modo non invasivo, attraverso la pelle, ha detto l'autore senior del giornale, Nitish Thakor, professore di ingegneria biomedica e direttore del laboratorio di strumentazione biomedica e neuroingegneria a Johns Hopkins.

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

Al fine di ripristinare un ampio spettro di sensazioni tattili, il gruppo ha creato un "modello neuromorfico" che imitava i recettori del dolore del sistema nervoso umano. Ciò ha permesso all'e-derma di codificare elettronicamente le sensazioni proprio come farebbero i recettori nella pelle. Seguendo l'attività cerebrale tramite elettroencefalografia, il gruppo ha determinato che il soggetto del test era in grado di percepire queste sensazioni nella sua mano fantasma.

I ricercatori hanno quindi collegato l'output di e-derma al volontario utilizzando la stimolazione del nervo elettrico transcutaneo. In un compito di rilevamento del dolore, il gruppo ha determinato che il soggetto del test e la protesi sono stati in grado di provare una reazione naturale e riflessiva al dolore mentre toccava un oggetto appuntito e non dolore quando toccava un oggetto rotondo.

L'e-derma è stato testato nel corso di un anno su un amputato che ha fatto volontariato nel Neuroingegneria di Johns Hopkins.

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

I ricercatori prevedono di sviluppare ulteriormente la tecnologia e comprendere meglio come fornire informazioni sensoriali significative agli amputati nella speranza di rendere il sistema pronto per l'uso diffuso.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/e-dermis-prosthetic/?cmpid=tenews_5500274&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79