Amputerade upplever ofta känslan av en "fantomlem" - en känsla av att en saknad kroppsdel ​​fortfarande finns där.

Den sensoriska illusionen är närmare att bli verklighet tack vare ett team av ingenjörer vid Johns Hopkins University som har skapat en elektronisk hud. När det är skiktat ovanpå proteser, denna e-dermis ger tillbaka en verklig känsla av känsel genom fingertopparna.

"Efter många år, Jag kände min hand, som om ett ihåligt skal fylldes med liv igen, " säger den anonyme amputerade som fungerade som lagets främsta frivilliga testare.

Tillverkad av tyg och gummi spetsad med sensorer för att efterlikna nervändar, e-dermis återskapar en känsla av känsel och smärta genom att känna av stimuli och förmedla impulserna tillbaka till de perifera nerverna.

"Vi har gjort en sensor som går över fingertopparna på en handprotes och fungerar som din egen hud skulle göra, säger Luke Osborn, en doktorand i biomedicinsk teknik. "Det är inspirerat av vad som händer inom mänsklig biologi, med receptorer för både beröring och smärta.

"Det här är intressant och nytt, " sa Osborn, "för nu kan vi ha en handprotes som redan finns på marknaden och förse den med en e-dermis som kan tala om för bäraren om han eller hon plockar upp något som är runt eller om det har vassa spetsar."

Verket—publicerat 20 juni i tidskriften Vetenskapsrobotik - visar att det är möjligt att återställa en rad naturliga, beröringsbaserade känslor för amputerade som använder proteser. Förmågan att upptäcka smärta kan vara användbar, till exempel, inte bara i proteshänder utan även i underbensproteser, uppmärksamma användaren på potentiell skada på enheten.

Människans hud innehåller ett komplext nätverk av receptorer som förmedlar en mängd olika förnimmelser till hjärnan. Detta nätverk tillhandahöll en biologisk mall för forskargruppen, som inkluderar medlemmar från Johns Hopkins avdelningar för biomedicinsk teknik, Elektro- och datateknik, och neurologi, och från Singapore Institute of Neurotechnology.

Att ge en mer mänsklig touch till moderna protesdesigner är avgörande, speciellt när det gäller att införliva förmågan att känna smärta, säger Osborn.

"Smärta är, självklart, obehaglig, men det är också viktigt, skyddande känselkänsla som saknas i de proteser som för närvarande är tillgängliga för amputerade, " säger han. "Framsteg inom protesdesign och kontrollmekanismer kan hjälpa en amputerads förmåga att återfå förlorad funktion, men de saknar ofta meningsfulla, taktil feedback eller perception."

Det är där e-dermis kommer in, förmedla information till den amputerade genom att stimulera perifera nerver i armen, få den så kallade fantomlemmet att vakna till liv. E-dermis-anordningen gör detta genom att elektriskt stimulera den amputerades nerver på ett icke-invasivt sätt, genom huden, säger tidningens senior författare, Nitish Thakor, en professor i biomedicinsk teknik och chef för Biomedical Instrumentation and Neuroengineering Laboratory vid Johns Hopkins.

"För första gången, en protes kan ge en rad uppfattningar, från fin touch till skadlig till en amputerad, gör det mer som en mänsklig hand, säger Thakor, medgrundare av Infinite Biomedical Technologies, det Baltimore-baserade företaget som tillhandahållit proteshårdvaran som användes i studien.

Inspirerad av mänsklig biologi, e-dermis gör det möjligt för användaren att känna av ett kontinuerligt spektrum av taktila uppfattningar, från lätt beröring till skadlig eller smärtsam stimulans. Teamet skapade en "neuromorf modell" som efterliknar berörings- och smärtreceptorerna i det mänskliga nervsystemet, tillåter e-dermis att elektroniskt koda förnimmelser precis som receptorerna i huden skulle göra. Spåra hjärnaktivitet via elektroencefalografi, eller EEG, teamet fastställde att testpersonen kunde uppfatta dessa förnimmelser i sin fantomhand.

Forskarna kopplade sedan e-dermis-utgången till volontären genom att använda en icke-invasiv metod som kallas transkutan elektrisk nervstimulering, eller TENS. I en smärtdetekteringsuppgift, teamet fastställde att testpersonen och protesen kunde uppleva en naturlig, reflexiv reaktion på både smärta vid beröring av ett spetsigt föremål och icke-smärta vid beröring av ett runt föremål.

E-dermis är inte känslig för temperatur - för denna studie, teamet fokuserade på att upptäcka föremåls krökning (för berörings- och formuppfattning) och skärpa (för smärtuppfattning). E-dermis-tekniken skulle kunna användas för att göra robotsystem mer mänskliga, och den kan också användas för att utöka eller utöka till astronauthandskar och rymddräkter, säger Osborn.

Forskarna planerar att vidareutveckla tekniken och bättre förstå hur man kan ge meningsfull sensorisk information till amputerade i hopp om att göra systemet redo för utbredd patientanvändning.

Johns Hopkins är en pionjär inom området skickliga proteser för övre extremiteter. För mer än ett decennium sedan, universitetets laboratorium för tillämpad fysik ledde utvecklingen av den avancerade modulära protesprotesen, som en amputerad patient styr med de muskler och nerver som en gång kontrollerade hans eller hennes riktiga arm eller hand.

Förutom finansieringen från Space@Hopkins, som främjar rymdrelaterat samarbete mellan universitetets divisioner, teamet fick också bidrag från Applied Physics Laboratory Graduate Fellowship Program och Neuroengineering Training Initiative genom National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering genom National Institutes of Health under anslag T32EB003383.

E-dermis testades under loppet av ett år på en amputerad som frivilligt arbetade i Neuroengineering Laboratory vid Johns Hopkins. Försökspersonen upprepade ofta testerna för att visa konsekventa sensoriska uppfattningar via e-dermis. Teamet har arbetat med fyra andra amputerade volontärer i andra experiment för att ge sensorisk feedback.