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Los autores, algunos

Un sensor táctil inspirado piel para prótesis inteligentes

Derechos reservados;

licenciatario exclusivo

1,2,3

1,2

1,2

1,2

1,2

1,2,3

Asociación Americana

YuanzhaoWu

, Liu Yiwei

*, Youlin Zhou

, Qikui hombre

, Chao Hu

, Waqas Asghar,

para el Avance

Fali Li1,2,3, Zhe Yu1,2,3, Jie Shang1,2, Gang Liu1,2, Meiyong Liao4, Run-Wei Li1,2 *

Logros recientes en el campo de la electrónica de la piel han proporcionado tecnología prometedora para los sistemas protésicos. Sin embargo, el desarrollo de un sistema táctil-percepción biónico que exhibe estímulos integrados de detección y funcionalidades de procesamiento de información similares a neuronas en un régimen de baja presión sigue siendo un reto. Aquí, nos demos- trar un sensor táctil para prótesis inteligentes basados ​​en material de gigante magneto-impedancia (GMI) encajado con un espacio de aire. El sensor presenta una alta sensibilidad de 120 newton-1 (O 4,4 kilopascal-1) Y un límite de detección muy bajo de 10 micronewtons (o 0,3 pascales). La integración del sensor táctil con un circuito de oscilación inductance- capacitancia (LC) activar la transducción directa de estímulos de fuerza en señales digitales de frecuencia. los

frecuencia aumentócon los estímulos de fuerza, de conformidad con la relación entre los estímulos y las res- puestas humanos. La carga mínima de 50 micronewtons (o 1,25 pascales), que es menor que el valor umbral de detección de la piel humana, también se codifica en la frecuencia, similar a la forma de onda de impulsos de los seres humanos. La pro- puesto sensor táctil no sólo mostró sensibilidad deseable y bajo límite de detección pero ción transducción también exhibido de señales digitales de frecuencia como respuestas estímulos humanos. Estas características de la serie del sensor de potencial táctil basada en GMI por sus aplicaciones en prótesis inteligentes, especialmente las prótesis que pueden reemplazar funcionalmente extremidades naturales.

de Ciencia. Sin pretensión de Obras originales del Gobierno de EE.UU.

INTRODUCCIÓN

La piel humana percibe los estímulos de presión en contacto, que son posterior- mente transforman en respuestas fisiológicas; estas respuestas se transfieren al cerebro a través del sistema nervioso (1-4). La calidad de vida de las personas con pérdida de extremidades se ve muy afectada por la falta de capacidad de detección táctil. Para lograr una sustitución próxima al natural, es importante desarrollar un sistema sensorial táctil que percibe estímulos, los codifica en respuestas fisiológicas, y luego los entrega a los nervios o el cerebro para formar retroalimentación sensorial (5, 6). Por lo tanto, investiga- dores están motivados para desarrollar sensores para prótesis incrustados y piel artificial que pueden restaurar la sensación táctil para personas con discapacidad (1, 7-12). No ha sido notable avance en el campo de diseño de prótesis integradas con sensores táctiles rígidos y / o flexibles que son sensibles a ambientes variables (11). A pesar de estos avances, las prótesis no pueden utilizarse plenamente como un reemplazo fun- cional de las extremidades naturales para las personas discapacitadas debido a la incompatibilidad de la señal, es decir, las señales de impulso digitales de los humanos y las señales analógicas de los sensores táctiles artificiales. En este caso, el desarrollo de la próxima generación de prótesis que sustituyen o incluso superar la capacidad de detección de los seres humanos es muy importante. Alta sensibilidad táctil, detección de presión ultra baja, y la capacidad de codificar los estímulos en potenciales de acción que imitan los de los humanos son los parámetros quired re- para la fabricación de sensores táctiles de alto rendimiento. A pesar de estos avances, las prótesis no pueden utilizarse plenamente como un reemplazo fun- cional de las extremidades naturales para las personas discapacitadas debido a la incompatibilidad de la señal, es decir, las señales de impulso digitales de los humanos y las señales analógicas de los sensores táctiles artificiales. En este caso, el desarrollo de la próxima generación de prótesis que sustituyen o incluso superar la capacidad de detección de los seres humanos es muy importante. Alta sensibilidad táctil, detección de presión ultra baja, y la capacidad de codificar los estímulos en potenciales de acción que imitan los de los humanos son los parámetros quired re- para la fabricación de sensores táctiles de alto rendimiento. A pesar de estos avances, las prótesis no pueden utilizarse plenamente como un reemplazo fun- cional de las extremidades naturales para las personas discapacitadas debido a la incompatibilidad de la señal, es decir, las señales de impulso digitales de los humanos y las señales analógicas de los sensores táctiles artificiales. En este caso, el desarrollo de la próxima generación de prótesis que sustituyen o incluso superar la capacidad de detección de los seres humanos es muy importante. Alta sensibilidad táctil, detección de presión ultra baja, y la capacidad de codificar los estímulos en potenciales de acción que imitan los de los humanos son los parámetros quired re- para la fabricación de sensores táctiles de alto rendimiento. las señales de impulso digitales de los humanos y las señales analógicas de los sensores táctiles artificiales. En este caso, el desarrollo de la próxima generación de prótesis que sustituyen o incluso superar la capacidad de detección de los seres humanos es muy importante. Alta sensibilidad táctil, detección de presión ultra baja, y la capacidad de codificar los estímulos en potenciales de acción que imitan los de los humanos son los parámetros quired re- para la fabricación de sensores táctiles de alto rendimiento. las señales de impulso digitales de los humanos y las señales analógicas de los sensores táctiles artificiales. En este caso, el desarrollo de la próxima generación de prótesis que sustituyen o incluso superar la capacidad de detección de los seres humanos es muy importante. Alta sensibilidad táctil, detección de presión ultra baja, y la capacidad de codificar los estímulos en potenciales de acción que imitan los de los humanos son los parámetros quired re- para la fabricación de sensores táctiles de alto rendimiento.

Sensores táctiles e-piel de alto rendimiento se pueden preparar mediante el uso de piezoresistores flexibles (13, 14), condensadores (15, 16), o transistores de efecto de campo orgánicos basados ​​en nanomateriales, por ejemplo, nano- carbono

tubos (CNT) (17-20), el grafeno (21), nanocables metálicos (22-24), o materiales de polímero conductor (25). La novedad en la estructura también afecta[pic 4]

1CaliforniaS clave de laboratorio de materiales magnéticos y dispositivos, Instituto de Ningbo

materiales Tecnología e Ingeniería, Academia China de Ciencias, Ningbo

315201, República Popular de China.2Z hejiang Clave ProvinciaLaboratorio de Materiales magnéticos y Aplicación de Tecnología, Instituto de Tecnología de Materiales Ningbo y Inge-

niería, Academia de Ciencias de China, Ningbo 315201, PR China.3Universidad de

4

ºsensibilidad e y límite de detección de los sensores táctiles. En particular, el polidimetilsiloxano (PDMS) con dibujos de microestructura ha mostrado promesa para el diseño de un sensor de presión de alta sensibilidad (13, 26-30). Park et al. (31) utilizaron una estructura porosa PDMS y lograr una alta sensibilidad (1,5 kPa-1), Mientras que Wang et al. (32) informaron de un sensor basado en una superficie microestructurada de seda que exhibió tividad sensi- Superior (1,80 kPa-1) Y un límite de presión detectable muy baja (0,6 Pa). Miyamoto et al. (33) informaron de peso ligero y elástico electrónica de a piel con nanomeshes. Saraf et al. (34) introdujo una cosecha luz y sensor monolito táctil autoalimentado.

To proporcionar una forma más rica y más natural de retroalimentación, algunos enfoques han sido desarrollados para obtener la percepción táctil (35-37). Por ejemplo, Oddo et al. (38) informaron de un enfoque de la estimulación intraneural que provocó la discriminación de las características texturales de una yema del dedo ficial arti- en los seres humanos intactos y amputados. Osborn et al. (39) también desarrollaron una multicapa dermis electrónicos, que exhiben propiedades basado en el comportamiento de los mecanorreceptores y nociceptores, para proporcionar información táctil neuromórfica a un amputado. Estos enfoques se abren nuevas oportunidades para la restauración sensorial en manos neuroprosthetic. Si la retroalimentación táctil es cada vez más biomimético, entonces se convertirá en más natural, rico y significativo para el paciente. El sistema de retroalimentación sensorial podría ser más compatible con los humanos si el sensor táctil es capaz de codificar los estímulos mediante la imitación de los potenciales de acción, que CON- estímulos mecánicos vert en señales fisiológicas de manera eficiente (Fig. 1A). Por lo tanto, la conversión de las señales de dominio de tiempo a las señales de dominio de frecuencia es el factor clave para los sensores táctiles artificiales. Tee et al. (40) con- canalizado un táctil estudio tecnología de detección en el material orgánico compatible-neurona en vivo. En este estudio, la integración de un sensor táctil basado-CNT con osciladores flexibles basados ​​en transistores orgánicos activar la transducción directa de estímulos de fuerza en señales digitales de frecuencia. La frecuencia de salida mostró una respuesta sublineal a los estímulos de fuerza en el intervalo de 10 a ~ 100 kPa. Este trabajo representa un paso hacia el diseño y uso de una piel sintetica con una integracion neural con mecanismo de retroalimentación táctil para el reemplazo de las extremidades. Kim et al. (41) desarrollaron neuromórfica

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