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Nouvelles étapes de «peau artificielle» vers le retour tactile pour les membres artificiels
Une équipe d’ingénieurs de l’Université de Stanford en Californie a créé un matériau plastique qui reconnaît la pression, transmettant un signal directement à une cellule cérébrale vivante. Ils disent que leur travail sert à créer des membres artificiels avec le sens du toucher.
La création de la nouvelle "peau artificielle" représente un pas en avant vers les membres prothétiques qui peuvent ressentir le toucher.
Crédit d'image: Bao Lab / Stanford University
Les ingénieurs, dirigés par le professeur Zhenan Bao, publient leurs travaux dans la revue Science.
Le professeur Bao travaille depuis une dizaine d'années pour développer un matériau capable d'imiter la capacité de la peau à fléchir et à guérir, ainsi qu'à envoyer des signaux au cerveau qui représentent le toucher, la température et la douleur. Son but ultime est de créer un tissu souple doté de capteurs qui recouvrent un membre artificiel et reproduisent certains des sens de la peau.
La technique de l'équipe consiste en une configuration en plastique avec deux couches. La couche supérieure possède un mécanisme de détection et la couche inférieure fonctionne comme un circuit, envoyant des signaux électriques et les traduisant en messages destinés aux cellules nerveuses.
Dans leur nouveau travail, la couche supérieure comporte un capteur qui reconnaît la pression, comme la peau humaine, en distinguant les différences de pression entre un doigt plus léger et une poignée de main ferme.
Selon l'équipe, la peau humaine repose sur des récepteurs qui envoient des signaux numériques pour la "détection tactile", dans lesquels les pressions variables sont converties en une série d'impulsions de tension.
"C'est la première fois qu'un matériau souple, semblable à la peau, est capable de détecter la pression et de transmettre un signal à un composant du système nerveux", explique le professeur Bao.
Informations sensorielles envoyées 'comme le code Morse'
Il y a environ 5 ans, l'équipe a d'abord décrit comment les plastiques et les caoutchoucs pouvaient être utilisés comme capteurs de pression en mesurant la flexibilité de leurs structures moléculaires. Ils ont pu augmenter cette sensibilité en incorporant un motif gaufré dans le plastique, condensant davantage les ressorts moléculaires du plastique.
Pour utiliser électroniquement cette capacité de détection de pression, les chercheurs ont répandu des milliards de nanotubes de carbone dans le plastique. Ils expliquent que la compression du plastique écrase encore plus les nanotubes, leur permettant de conduire l'électricité.
En faisant cela, le capteur en plastique était capable d'imiter la peau humaine et la manière dont il transmettait les informations de pression au cerveau sous la forme de courtes impulsions électriques - un peu comme le code Morse.
Les impulsions courtes sont ensuite envoyées à un mécanisme de détection. En supprimant la pression, le flux d’impulsions se détend - suggérant un léger toucher - tout en éliminant toute pression, les impulsions cessent. Le professeur Bao et son équipe ont ensuite accroché le mécanisme de détection à la seconde couche de leur peau artificielle, qui peut transporter des impulsions électriques aux cellules nerveuses.
Leur tâche finale était de prouver que le signal électrique peut être reconnu par un neurone biologique. Ils l'ont fait en utilisant une technique développée par un professeur de bioingénierie de Stanford - Karl Deisseroth - qui a été le pionnier de l'optogénétique, un domaine combinant la génétique et l'optique.
«Beaucoup de travail» à faire
Pour compléter leur tâche, les chercheurs ont créé une ligne de neurones qui reproduisent une partie du système nerveux humain en traduisant les signaux de pression électroniques de leur peau artificielle en impulsions lumineuses. Ceci, à son tour, a activé les neurones et a prouvé que la peau pouvait créer une sortie sensorielle capable de communiquer avec les cellules nerveuses.
Bien que cette technique avec l'optogénétique soit expérimentale, les chercheurs disent que d'autres méthodes stimulantes seront probablement utilisées dans de vrais membres artificiels. Ils aimeraient éventuellement créer différents capteurs pouvant donner aux membres la possibilité de faire la différence entre le velours côtelé et la soie, par exemple.
"Nous avons beaucoup de travail à faire pour passer des applications expérimentales aux applications pratiques", explique le professeur Bao. "Mais après avoir passé de nombreuses années dans ce travail, je vois maintenant un chemin clair où nous pouvons prendre notre peau artificielle."
Les auteurs concluent leur article en écrivant:
"Ce travail représente une étape vers la conception et l'utilisation de peaux électroniques organiques à grande surface avec rétroaction tactile intégrée par neurones pour les membres de remplacement."
L'année dernière, Nouvelles médicales aujourd'hui ont rapporté le développement réussi d'un bras prothétique contrôlé par le cerveau.
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