仿生感知传感器用于假肢中触觉与疼痛刺激的时空解码

《Cyborg and Bionic Systems》：A Bioinspired Perceptual Sensor for Spatiotemporal Decoding of Haptic and Pain Stimuli in Prostheses

　　

幻肢痛是下肢截肢患者常见的后遗症，会损害其准确感知和区分触觉与疼痛感觉的能力，从而阻碍残肢功能并降低康复疗效。尽管现有假肢技术旨在恢复感觉功能，但其往往无法提供触觉刺激的实时定位，也无法有效整合疼痛反馈，导致无法提供连贯的触觉与伤害性刺激信号。本研究提出一种仿生感知传感器（bioinspired perceptual sensor，BPS），通过将人工机械感受器与突触晶体管集成，实现对触觉和疼痛信息的时空解码。BPS的高传感性能和突触可塑性使其能够实现触觉刺激的定位与强度评估，以及疼痛反馈的时空整合，从而促进触觉与疼痛协同感知的定量评估。研究人员首先将BPS集成至人形机器人系统进行验证，证明其能够以闭环方式区分并响应环境相关的条件反射和非条件反射。随后，将该传感平台集成至截肢者的假肢接受腔界面，并确认其能够提供准确、可靠的触觉与疼痛反馈，从而为优化假肢适配、肢体健康和功能康复效果提供重要见解。

论文解读：仿生感知传感器实现假肢中触觉与疼痛的时空解码

一、研究背景与问题

每年全球约有500万人接受下肢截肢手术，术后常伴随幻肢痛（phantom limb pain，PLP）等慢性疼痛并发症，严重影响患者的活动能力与生活质量。标准临床管理通常包括假肢适配以恢复运动功能，并辅以神经阻滞剂和阿片类药物缓解幻肢痛。然而，残肢中机械感受器和伤害性感受器的损伤往往导致患者对触觉和疼痛刺激的感知能力受损，进而引发严重并发症。例如，假肢接受腔与残肢界面处的高压力分布可能因皮肤和骨骼结构承受过大负荷而导致溃疡。因此，恢复假肢与残肢界面处准确、及时的触觉和疼痛反馈，并实现假肢功能的适应性调整以促进自然运动控制，对于改善假肢整合和闭环感知-行动康复的功能结局至关重要。

尽管已有研究探索了假肢界面的压力传感和负荷监测，现有系统仍很少能提供与人类躯体感觉相当的协同触觉定位和疼痛相关反馈。近年来开发的柔性触觉传感器利用先进材料和结构创新将机械信号转换为电响应，并通常通过预定义的外部阈值区分正常触觉与疼痛。然而，这些器件仍缺乏生物神经系统特有的内在信号处理和记忆能力。为弥合这一差距，近期研究策略将突触启发的神经形态元件（如忆阻器或晶体管）引入压力传感系统，整合感知、信号处理和记忆功能。尽管多种人工神经形态感觉系统已被探索用于解码疼痛刺激的时空特征，现有实现仍难以同时实现触觉感知所需的精确实时定位和疼痛感知所必需的时空整合，这构成了实际应用的重要障碍。

二、研究内容与意义

针对上述问题，研究人员开发了一种仿生感知传感器（bioinspired perceptual sensor，BPS），紧密模拟生物机械感受器和伤害性感受器，实现对下肢截肢者触觉和疼痛刺激的同步时空解码。该集成传感平台包含两个协同运行的模块：基于压电的触觉感知模块，提供实时空间定位和强度检测；以及基于压阻的疼痛感知模块，集成电解质门控晶体管，实现对疼痛刺激的时空整合和神经可塑性。与现有的人工感觉系统相比，该BPS提供了增强的感知保真度和全面的感觉反馈，更准确地模拟了人类触觉和疼痛感觉。研究人员首先将BPS集成至人形机器人系统进行验证，证明其能够以闭环方式区分并响应环境相关的条件反射和非条件反射。随后将该传感平台集成至截肢者的假肢接受腔界面，确认其能够提供准确、可靠的触觉和疼痛反馈，为优化假肢适配、肢体健康和功能康复效果提供了重要见解。该研究成果发表于《Cyborg and Bionic Systems》期刊。

三、关键技术方法

研究人员采用以下主要技术方法开展研究：利用CO₂红外激光扫描聚酰亚胺薄膜制备激光诱导石墨烯（laser-induced graphene，LIG），并与聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）复合形成压阻式柔性传感器；通过溶液铸造和极化处理制备聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）压电薄膜传感器；合成壳聚糖电解质薄膜并制备壳聚糖门控氧化铟锡（ITO）突触晶体管；将2×2双模态柔性传感阵列与突触晶体管及外围信号调理电路集成组装为BPS系统。人体试验经浙江理工大学人类研究伦理委员会批准（批准号：202504E001），所有受试者均签署知情同意书。

四、研究结果

仿生设计与工作原理。 研究人员首先探索了人类皮肤触觉和疼痛感知的神经机制。触觉信号通过背柱-内侧丘系通路传递，疼痛信号通过脊髓丘脑束传递，两者最终到达丘脑和初级躯体感觉皮层。基于此生物学基础，BPS的触觉模块采用柔性压电三明治结构，通过偶极子重新取向和电荷位移产生即时电压信号，实现触觉刺激强度和位置的实时感知；疼痛模块采用压阻传感器与突触晶体管集成，捕捉空间和时间信息以模拟伤害性通路的整合行为。

触觉和疼痛感觉受体性能。 压阻式疼痛传感器在100至500 Pa低压范围内灵敏度达57.9 kPa^-1，在高达120 kPa范围内保持17.8 kPa^-1的稳健灵敏度，在100至200 kPa范围内灵敏度为6.3 kPa^-1，响应和恢复时间分别为31 ms和43 ms。压电传感器在0.1至20 kPa低压范围内灵敏度为34.34 mV/kPa，展现出5 ms的超快响应和4 ms恢复时间。两种传感器在2000次循环测试中均表现出优异的稳定性和可重复性。

疼痛感知模块表征。 壳聚糖门控ITO神经形态晶体管阵列器件密度达100个/cm²，转移曲线表现出约0.6 V的明显迟滞窗口、约9.6×10⁶的高开关电流比和约81.2 mV/decade的低亚阈值摆幅。晶体管展现出典型的兴奋性突触后电流（excitatory postsynaptic current，EPSC）和双脉冲易化（paired-pulse facilitation，PPF）响应，PPF指数随脉冲间隔从39 ms增至1.115 s而从57%指数衰减至4.3%。当栅极电压超过约4 V时，突触晶体管从短时程可塑性（short-term plasticity，STP）转变为长时程可塑性（long-term plasticity，LTP）。将压阻传感器与突触晶体管集成构建的人工触觉感知神经元，其理论预测与实验观测的EPSC和PPF响应高度一致。

实时协同触觉和疼痛感知。 当载荷强度达到12.80 kPa时，疼痛感知元件的EPSC超过3.5 μA的阈值，标志着疼痛的出现和从非记忆状态向STP的转变。触觉感知元件的输出随压力强度成比例增加，而疼痛感知元件的信号强度随压力持续时间、次数和频率的增加而增强。在持续10 s的压力加载下，触觉元件实现压力强度、施加和移除时间的实时测量，而疼痛元件表现出生物伤害性感受器的无适应特征。研究人员还成功模拟了疼痛敏化和脱敏过程：轻度刺激（3.98 kPa，0.2 s）不足以引发明显疼痛反应，强刺激（46.31 kPa，0.2 s）触发强烈疼痛并模拟损伤状态；随后以短间隔（1.4 s）施加相同轻度刺激时表现出增强响应（敏化），而以长间隔（4 s）施加时响应恢复至正常水平（脱敏）。

人机交互的闭环响应。 研究人员设计了2×2传感阵列并集成至机器人手部。当相同力同时施加于增加的传感单元数量时，疼痛感知元件的EPSC输出增强，反映疼痛刺激的空间整合。在闭环交互系统中，无害刺激（10 kPa，0.21 s）使机械臂以安全方式交互；延长刺激时间（0.49 s）后，由于时间整合超过疼痛阈值，机器人立即识别疼痛信号并启动回避动作。经历疼痛后，系统通过降低预测阈值实现学习型敏感性增强，使机器人能以更短刺激时间（0.06 s）提前识别潜在风险。当相同刺激同时施加于两个传感单元时，机械臂表现出更大的回避距离和速度；施加于左右两侧时，系统通过疼痛和触觉感知元件检测损伤刺激及其位置，控制机械臂朝刺激方向移动以模拟压力辅助的疼痛定位。

经胫骨截肢参与者的可行性试验。 研究人员在经胫骨截肢参与者的残肢上选择四个易受过度机械负荷的传感位点，监测坐、走、爬楼梯、跳跃和跑步等运动中的触觉分布和疼痛评估。实时记录显示，跑步条件下胫骨粗隆处压力增加，髋关节抬高代偿导致前胫骨区域不对称负荷和接受腔压力升高。基于反馈，参与者能够调整步态、减少过度骨盆运动，促进更安全、更生物力学高效的跑步姿势。通过结合患者自我报告（数字评定量表）、实验者观察（面部疼痛量表修订版）和人工神经系统输出，疼痛评估显示出对即时和长期不适的高准确性。

五、讨论与结论

BPS采用触觉和疼痛元件的机械协同设计，解决了触觉感知的时空定位与疼痛感知的时空整合之间的冲突，实现了两种感觉模态之间的最佳权衡。与基于压力映射或固定阈值警告的现有感觉系统相比，该人工感知神经元通过模拟人类触觉和疼痛感知的协调机制，提供更全面的触觉和疼痛样反馈。该系统使机械臂具备与人类相当的行为能力，以安全适当的方式完成与外部刺激交互的挑战性任务。BPS使经胫骨截肢参与者能够唤起触觉和疼痛感觉，促进神经假肢对不同运动模式的适应。当前协同策略可轻松应用于假肢适配评估，是恢复下肢截肢者感觉和增强功能的潜在干预手段。扩大参与者数量将增强对假肢使用者触觉和疼痛感知机制的理解。未来仍需改进无线集成、医用级封装、长期佩戴稳定性和动态步态条件下的稳健传感器固定。研究人员预期BPS将促进智能假肢更有效策略和技术的发展，最终改善截肢者的生活质量。