نیوزویز – محققان آزمایشگاه فیزیک کاربردی جانز هاپکینز (APL) یکی از کوچک‌ترین، شدیدترین و سریع‌ترین دستگاه‌های تبرید جهان، خنک‌کننده ترموالکتریک لایه نازک پوشیدنی (TFTEC) را توسعه دادند و با دانشمندان علوم اعصاب همکاری کردند تا به افراد قطع عضو کمک کنند تا دما را درک کنند. احساس با اندام های فانتوم خود. این پیشرفت، که یکی از اولین‌ها در نوع خود است، یک قابلیت جدید مفید را برای کاربردهای مختلف، از جمله پروتزهای بهبودیافته، هاپتیک برای روش‌های جدید واقعیت افزوده (AR) و درمان مدوله‌شده حرارتی برای کاربردهایی مانند مدیریت درد، ممکن می‌سازد. این فناوری همچنین دارای کاربردهای بالقوه صنعتی و تحقیقاتی مختلفی مانند الکترونیک خنک کننده و لیزر و برداشت انرژی در ماهواره ها است.

توسعه TFTEC در APL در سال 2016 آغاز شد راما ونکاتاسوبرامانیانمهندس دستگاه نیمه‌رسانا و فن‌شناس ارشد تحقیقات ترموالکتریک APL، شروع به توسعه مواد و دستگاه‌های ترموالکتریک با مهندسی نانو پیشرفته برای آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (دارپا) کرد. ماتریکس برنامه برای پشتیبانی از MATRIX، APL مواد ترموالکتریک لایه نازک پیشرفته ای به نام ساختارهای سوپرشبکه با مهندسی سلسله مراتبی کنترل شده (CHESS) توسعه داد تا مجموعه کاملا جدیدی از قابلیت های انتقال را برای چندین برنامه وزارت دفاع، از جمله خنک کننده تراشه های کامپیوتری و اجزای موتور، فعال کند.

گام های ونکاتاسوبرامانیان در ترموالکتریکی شطرنج تا پایان سال 2019 آنقدر قابل توجه بود که بابی آرمیگراو که رهبری شاخه علوم تحقیقات APL را بر عهده دارد، به این فکر کرد که آیا می توان از دستگاه های او برای تسهیل سنجش دما در اندام های فانتوم افراد قطع عضو برای پروتزهای بهبودیافته استفاده کرد. از سال 2006، APL رهبری دارپا را بر عهده دارد پروتز انقلابی این برنامه، تلاشی متمرکز بر ایجاد یک اندام مصنوعی با کنترل ذهنی است که توانایی حرکتی و حسی تقریباً طبیعی را به افراد قطع عضو اندام فوقانی بازگرداند.

آرمیگر می‌گوید: «ما می‌دانیم که می‌توانیم بخش‌های خاصی از اندام قطع شده فرد را برای حس لمس و ارتعاش تحریک کنیم، اما هیچ‌کس نتوانسته است با سرعت، شدت و کارایی احساس خنکی ایجاد کند تا درک حرارتی طبیعی را با یک سیستم مصنوعی بازگرداند». بازگرداندن حس دما کاربردهای عملی دارد – مانند شناسایی نوشیدنی سرد – و همچنین پتانسیل افزایش تجسم احساسی یک وسیله مصنوعی، شاید با احساس گرمای دست یکی از عزیزان.

ونکاتاسوبرامانیان و تیم ترموالکتریک همکاری خود را با آرمیگر و تیمی از دانشمندان علوم اعصاب و رباتیک به عنوان بخشی از مطالعه ای که توسط مرکز تحقیقات علوم توانبخشی در بخش طب فیزیکی و توانبخشی (PM&R) در دانشگاه خدمات یکپارچه علوم بهداشت (ایالات متحده آمریکا) پشتیبانی می شود، آغاز کردند. ) از طریق یک جایزه فرعی از بنیاد هنری ام. جکسون برای پیشرفت پزشکی نظامی، برای ایجاد یک خنک کننده ترموالکتریک پوشیدنی که به اندازه کافی سریع و شدید است که با توانایی بدن انسان برای احساس سریع تغییرات دما مطابقت داشته باشد.

از این، TFTEC پوشیدنی ایجاد شد.

ونکاتاسوبرامانیان گفت: “TFTEC ما کمی بیش از یک میلی متر ضخامت دارد، وزن آن فقط 0.05 گرم است، شبیه به یک باند چسب نازک، و می تواند خنک کننده شدید را در کمتر از یک ثانیه ارائه دهد.” همچنین دوبرابر مصرف انرژی نسبت به رایج‌ترین دستگاه‌های ترموالکتریک امروزی است و می‌توان آن را به راحتی با استفاده از ابزارهای نیمه‌رسانا که برای ساخت LED‌ها نیز استفاده می‌شوند، تولید کرد. [LEDs]. این یک پیشرفت هیجان انگیز است که می تواند پیامدهای بزرگی برای پروتز و کاربردهای لمسی داشته باشد.

برای آزمایش اثربخشی TFTEC، محققان احساسات حرارتی را در دستان فانتوم چهار فرد قطع عضو ترسیم کردند.

زمانی که فردی بخشی از اندام خود را از دست می دهد، اعصاب موجود در اندام باقی مانده همچنان وجود دارد که می تواند منجر به احساس یک اندام “فانتوم” شود.” لوک آزبورنیک محقق مهندسی عصبی که بیشتر کارهای APL را بر روی شبیه سازی عصبی غیرتهاجمی هدایت می کند. می‌توانید الکترودهایی را روی قسمت‌های مختلف بازوی یک فرد قطع عضو قرار دهید، جایی که آن اعصاب دوباره رشد کرده‌اند و حسی را تحریک می‌کنند – معمولاً فشار، اما در این مورد دما – و فرد می‌تواند به ما بگوید که دست فانتوم در کجا این احساسات را احساس می‌کند. .

مهندسی زیست پزشکی طبیعت اخیرا منتشر شده نتایج حاصل از تحقیقات گسترده TFTEC در مورد APL برای چنین کاربردهای حسگر است، که شامل خصوصیات در مقیاس آزمایشگاهی، آزمایش‌هایی با افراد قطع عضو و نمایش در دنیای واقعی این رویکرد است. این مطالعه خاطرنشان کرد که TFTEC در تمام اعضای فانتوم شرکت‌کنندگان در طی یک کار تشخیص سرما، احساس خنکی ایجاد می‌کند، در حالی که فناوری ترموالکتریک سنتی تنها در نیمی از آنها این کار را انجام می‌دهد – و TFTEC این کار را هشت برابر سریع‌تر و سه برابر سریع‌تر انجام می‌دهد. -شدت بالا. علاوه بر این، TFTEC نیمی از انرژی را در مقایسه با دستگاه های ترموالکتریک فعلی مصرف می کند.

آزبورن گفت: «ما دریافتیم که دستگاه TFTEC به طور قابل توجهی در ایجاد احساس خنک‌کننده سریع‌تر و شدیدتر نسبت به دستگاه‌های سنتی بهتر عمل می‌کند، حتی اگر دمای مورد نظر یکسان بود». “و به شرکت کنندگان کمک کرد تا تصمیمات و مشاهدات سریع تری بگیرند.”

مکان‌های تحریک شرکت‌کنندگان در آزمون طی 48 هفته آزمایش ثابت ماند و نشان می‌دهد که این فناوری می‌تواند به کاربران اجازه دهد تا سال‌ها دما را در دست‌های از دست رفته خود احساس کنند. این ثبات زمانی، همراه با یک روش غیر تهاجمی پوشیدنی، برای استفاده در دنیای واقعی جذاب است.

ونکاتاسوبرامانیان گفت: «وقتی کار خود را در مارس 2020 شروع کردیم، متوجه شدیم که تنها در طی چند آزمایش می‌توانیم اندام‌های فانتوم یک فرد قطع عضو را تحریک کنیم. ما شنیدیم که شرکت کنندگان گفتند: “بله، من بلافاصله احساس سرما کردم و در آنجا گزگز کردم.”

تیم APL به اصلاح رویکرد خود با آزمایش چند فرد قطع عضو در کنار افرادی که دارای اندام سالمی بودند، ادامه داد. ونکاتاسوبرامانیان ادامه داد: «اینها پیشرفت هایی است که ما به عنوان دانشمندان رویای آنها را داریم. ما سال‌ها را در آزمایشگاه سپری می‌کنیم و دیدن اینکه چگونه فناوری ما بر کیفیت زندگی افراد تأثیر می‌گذارد، مانند یک فرد قطع پا که دنیای حرارتی طبیعی را تجربه می‌کند، فوق‌العاده رضایت‌بخش است.»

توانایی تولید سیگنال های حرارتی واقعی و آموزنده برای ادراک انسان – در کسری از انرژی و اندازه فناوری های خنک کننده امروزی – ماهیت کم، سرعت بالا و سبک وزن دستگاه ها آنها را برای کاربردهای روی سطح پوست بدون استفاده از آن مناسب می کند. موانعی که می تواند بر حرکت تأثیر بگذارد.

دیوید دروری، مهندس زیست پزشکی و مدیر برنامه در APL گفت: «بسیار عالی بود که شاهد ترجمه این فناوری ترموالکتریک توسعه‌یافته APL به مراقبت‌های بهداشتی از طریق این اولین نمایش در نوع خود در یک فرد قطع عضو بودیم. منطقه ماموریت بهداشت ملی. ما مشتاقانه منتظریم تا نتایج را در آزمایش‌های بالینی قوی‌تر گسترش دهیم و دستگاه را با سایر عوامل پوشیدنی ادغام کنیم که می‌تواند به راحتی برای افرادی که نیاز به بازسازی حسی یا بازخورد لمسی دارند استفاده شود.»

کتی کارنیل، مهندس زیست پزشکی و دستیار مدیر برنامه که تحقیقات ابتکاری مرتبط با سلامت را در APL رهبری می کند، مجموعه وسیعی از کاربردهای آینده را برای فناوری ترموالکتریک کوچک شده می بیند. کارنئال گفت: راه‌های زیادی وجود دارد که فشار و دما بر بدن انسان تأثیر می‌گذارد. علاوه بر بهبود کیفیت زندگی برای افراد قطع عضو، درهای تحقیقاتی بسیاری را باز کرده‌ایم که می‌تواند به ما کمک کند درمان‌های جدیدی برای بیماری‌های عصبی عضلانی یا دردهای مزمن پیدا کنیم.

دکتر پل پاسکوینا، رئیس PM&R در USU، این شور و شوق را تکرار کرد و کار تیم APL را تحسین کرد. او گفت: “کار با چنین مهندسان متخصصی برای ارائه راه حل هایی برای کمک به بیماران واقعی، از جمله رزمندگان مجروح ما که دچار از دست دادن اندام شده اند، چه افتخاری است.”

APL واجد شرایط منحصر به فرد برای پیشبرد هنر ممکن برای کاربردهای جدید مراقبت های بهداشتی با کاوش در این تلاقی علم مواد و مهندسی دستگاه های الکترونیکی با زیست شناسی و علوم اعصاب است. علاوه بر برنامه انقلابی پروتز، APL در حال پیشرفت قابل توجهی است رابط عصبی تحقیق، بهبود ژنومیکس ابزار و نظارت خستگی جسمانی برای جلوگیری از صدمات جنگجویان، از جمله بسیاری از دستاوردهای دیگر در منطقه ماموریت بهداشت ملی.