约翰霍普金斯大学应用物理实验室恢复截肢者幻肢的冷感

约翰霍普金斯大学应用物理实验室 (APL) 的研究人员开发出了世界上最小、强度最大、速度最快的制冷设备之一——可穿戴薄膜热电冷却器 (TFTEC)，并与神经科学家合作，帮助截肢者通过体模感知温度四肢。这一进步是同类首创之一，为各种应用提供了有用的新功能，包括改进的假肢、增强现实 (AR) 中新模式的触觉以及用于疼痛管理等应用的热调制疗法。该技术还具有各种潜在的工业和研究应用，例如冷却电子设备和激光器以及卫星中的能量收集。

APL 的 TFTEC 开发始于 2016 年，当时APL 热电研究的半导体器件工程师兼首席技术专家 Rama Venkatasubramanian 开始为国防高级研究计划局 (DARPA) MATRIX 项目开发先进的纳米工程热电材料和器件。为了支持 MATRIX，APL 开发了先进的薄膜热电材料，称为受控分层工程超晶格结构 (CHESS)，为国防部的多个应用提供一套全新的转换功能，包括冷却计算机芯片和发动机组件。

到 2019 年底，Venkatasubramanian 在 CHESS 热电学方面取得的进步是如此显着，以至于负责 APL 探索科学部门的鲍比·阿米格 ( Bobby Armiger ) 想知道他的设备是否可以用于促进截肢者幻肢的温度感知，从而改进假肢。自 2006 年以来，APL 一直领导 DARPA 的假肢革命项目，该项目的重点是创造一种精神控制的假肢，使上肢截肢患者恢复近乎自然的运动和感觉能力。

“我们知道我们可以刺激某人截肢的特定部位来感受触觉和振动的感觉，但没有人能够以速度、强度和效率产生清凉感，从而用假肢恢复自然的热感知系统，”阿米格尔说。“恢复温度感觉具有实际应用，例如识别冷饮，并且有可能通过感受亲人手的温暖来改善假肢装置的情感体现。”

Venkatasubramanian 和热电团队开始与 Armiger 以及神经科学家和机器人专家团队合作，作为健康科学制服服务大学物理医学与康复 (PM&R) 系康复科学研究中心支持的一项研究的一部分 ( USU)，通过亨利·M·杰克逊军事医学促进基金会的一项子奖项，创造出一种可穿戴热电冷却器，其速度和强度足以与人体快速感知温度变化的能力相匹配。

由此，可穿戴式 TFTEC 诞生了。

“我们的 TFTEC 厚度仅一毫米多一点，重量仅为 0.05 克，类似于薄薄的创可贴，并且可以在不到一秒的时间内提供强烈的冷却，”Venkatasubramanian 说。“它的能源效率比当今最常见的热电设备高出两倍，并且可以使用也用于制造发光二极管 [LED] 的半导体工具轻松制造。这是一项令人兴奋的发展，可能会对假肢和触觉应用产生巨大影响。”

为了测试 TFTEC 的功效，研究人员绘制了四名截肢者幻手的热感觉图。

“当某人失去部分肢体时，残肢内的神经仍然存在，这可能会导致‘幻肢’感觉，”领导APL 大部分无创神经模拟工作的神经工程研究员Luke Osborn说。“你可以将电极放置在截肢者上臂的不同部位，这些神经重新生长并刺激感觉(通常是压力，但在当前情况下是温度)，并且该人可以告诉我们他们在幻肢中的哪个部位感受到这些感觉。”

《自然生物医学工程》最近发表了APL 针对此类感官应用的广泛 TFTEC 研究结果，其中包括实验室规模的表征、截肢者的试验以及该方法的现实演示。研究指出，在寒冷检测任务中，TFTEC 在所有参与者的幻肢中引发了清凉感觉，而传统热电技术仅在一半参与者中产生了这种感觉，而且 TFTEC 的速度快了八倍，强度提高了三倍。此外，与当前的热电设备相比，TFTEC 的能耗只有一半。

Osborn 表示：“我们发现，即使目标温度相同，与传统设备相比，TFTEC 设备在创造更快、更强烈的清凉感觉方面明显更好。” “这有助于参与者更快地做出决策和观察。”

在 48 周的测试中，测试参与者的刺激部位保持不变，这表明该技术可以使用户在数年内感受到失去的双手的温度。这种时间稳定性以及可穿戴式非侵入性程序对于在现实世界中的应用具有吸引力。

“当我们于 2020 年 3 月开始工作时，我们意识到，只需几次试验，我们就可以刺激截肢者的幻肢，”Venkatasubramanian 说。“我们听到参与者说，‘是的，我立刻感觉到这里有一种寒冷的感觉，那里有一种刺痛感。’”

APL 团队通过对几名截肢者和肢体完整的人进行测试，继续完善其方法。“这些是我们作为科学家所梦想的发展，”Venkatasubramanian 继续说道。“我们在实验室呆了多年，看到我们的技术对某人的生活质量产生影响，就像截肢者感知自然热世界一样，这是令人难以置信的满足。”

该设备能够为人类感知生成真实且信息丰富的热信号(与当今的冷却技术相比，其能量和尺寸仅为其一小部分)，该设备的薄型、高速和轻量特性使其适合皮肤表面应用，而不会受到任何阻碍。可能会影响运动。

APL 国家健康任务区的生物医学工程师兼项目经理 David Drewry 表示：“很高兴看到 APL 开发的热电技术通过截肢者的首次演示而转化为医疗保健领域。” “我们期待在更强大的临床试验中扩大结果，并将该设备集成到其他可穿戴设备中，这些设备可以轻松部署到需要感觉恢复或触觉​​反馈的个人身上。”

Katy Carneal 是一名生物医学工程师兼助理项目经理，负责领导 APL 的创新健康相关研究，她看到了微型热电技术未来的广泛应用。“压力和温度感觉影响人体的方式有很多，”卡尼尔说。“除了提高截肢者的生活质量之外，我们还打开了许多研究之门，可以帮助我们研究和寻找神经肌肉疾病或慢性疼痛的新疗法。”

USU PM&R 主席 Paul Pasquina 博士在赞扬 APL 团队工作的同时也表达了这种热情。他说：“能够与这些专家工程师合作，提出解决方案来帮助现实世界的患者，包括我们失去肢体的受伤战士，这是多么荣幸。”

APL 具有独特的资格，可以通过探索材料科学和电子设备工程与生物学和神经科学的交叉点来推进新型健康应用的可能性。除了革命性假肢计划之外，APL 还在神经接口研究、改进基因组学工具和监测身体疲劳以防止战士受伤等方面取得了重大进展，并在国家健康任务领域取得了许多其他进展。