3D 列印技術打造有觸覺反應的人工手指!觸覺信號與真實人體手指相似

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來自英國布里斯托大學(University of Bristol)的機器人實驗室研究團隊,近期於 Journal of the Royal Society Interface 刊登兩篇文獻,首次針對 3D 列印打造的人工指尖與真實人體的觸覺神經訊號做深入比較探討,發現兩者訊號模式十分相似,增加人類對未來機器人的應用,還可優化義肢的靈活度發展。

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模擬皮膚內層構造,打造可產生觸覺的 3D 列印人工指尖

秉持想要揭開人類皮膚內部複雜構造的神秘面紗,以了解如何產生並創造觸覺,研究團隊在機器與人工智慧學系的 Nathan Lepora 教授帶領下,利用可混合列印軟硬材料的 3D 技術,模擬外表皮層與內真皮層之間複雜的乳突狀構造,創造出具有觸覺的人工指尖。

研究團隊首先研究人體觸覺神經接受訊號傳導的方式,再將其訊號編碼,接著使用 3D 列印的仿生觸覺感應器(TacTip)建立出兩條人工觸覺神經,分別為 SA-I 與 RA-I,另外還嵌入感應器來接受震動的訊號,為 RA-II。透過三種人工神經所傳導的訊號產生交互作用,形成空間觸覺反應。

人工手指接收的感應訊號,與真實人體極為相似!

人體皮膚內的力覺感受器(mechanoreceptor)可接受各種觸覺神經末端所發出的訊號,並透過不同的觸碰壓力所產生的訊號來感應形狀。1981 年的神經科學家 J.R. Phillips 和 K.O. Johnson 針對這些觸覺神經感應脊型構造物體所產生的電波,首次繪製了紀錄圖,以探討「觸覺空間解析度」(tactile spatial resolution)。

研究團隊發現 3D 列印的人工指尖在「感受」一樣的脊型構造物體所產生的人工神經訊號,與四十年前真實人體觸覺神經元的所感應的電波紀錄極為相似。縱使電波訊號的紀錄十分複雜,包含了各種不規則的波鋒與波谷訊號,但人工觸覺的數據上能看到類似的模式,顯示人工指尖能模擬人體觸覺的感應能力。

不過人造指尖對於物體細節的感應仍不夠敏感,研究團隊認為可能是因 3D 列印的皮膚較真實皮膚更厚實,也因此將持續研究如何以微觀尺度列印人體皮膚,優化人工觸覺感應能力。

Lepora 教授期望道:「我們的目標是將人工皮膚做得跟真實皮膚一樣好,甚至更完美。」

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參考資料:
1. Journal of the Royal Society Interface, 2022; https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2021.0822
2. Journal of the Royal Society Interface, 2022; 
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2021.0603
3. https://www.bristol.ac.uk/news/2022/april/3d-printed-fingertip.html

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