觸覺對于雙手的靈巧使用至關重要，因此這方面也是截肢和癱瘓病患恢復手部功能的重要組成部分。假肢系統通過集成可穿戴觸覺傳感器解決了這一問題。然而，這種可穿戴傳感器對于旨在使病患的癱瘓手部恢復的神經假體系統來說并非最理想的解決方案。

據麥姆斯咨詢報道，近日，由美國賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）和俄亥俄州立大學（Ohio State University）組成的科研團隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發表了以“An implantable, wireless, battery-free system for tactile pressure sensing”為主題的論文。該論文共同第一作者為Lin Du，通訊作者為Andrew G. Richardson和Mark G. Allen。

這項研究利用硅基MEMS技術開發了首款完全無線的植入式觸覺傳感器，避免了以往利用脆弱的電引線穿過關節的皮下隧道的要求。該傳感器系統旨在與傳感器控制的腦刺激和腦控制的肌肉刺激相結合，以實現為癱瘓病患提供閉環手部功能“再生”。將觸覺反饋加入肢體恢復方案將是其邁向臨床腦機界面（BMI）的重要一步，該方案每年有望讓數以千計的新癱瘓病患重新恢復功能獨立。

該無線觸覺傳感系統結合了微型、生物兼容的壓力傳感器、電池供電的無線電源和數據鏈路，壓力傳感器可以植入皮膚下任何期望位置（如手掌或指尖），無線電源和數據鏈路可以佩戴于手腕、手背或指甲上（如圖1a）。為了實現該系統，研究人員開發了利用生物相容且密封的二氧化硅層完全封裝的集成植入式平臺，該平臺主要由三大主要組件構成（電容式壓力傳感器、微型化無線傳輸模塊、三層封裝，如圖1b所示）。這項研究的重要設計改進是將ASIC芯片與天線一同封裝在熔融二氧化硅中，從而提供了一個具有合適尺寸、密封封裝的獨立傳感系統，適用于皮下長期植入物的預期應用。

圖1 無線植入式觸覺傳感系統

該電容式傳感器的工作原理如圖2所示。在不施加外力的情況下，將帶有浮動電勢上電極的上硅板與包含兩個下電極的中間硅板平行連接（如圖2a）。在存在作用于傳感器膜上的法向力的情況下，上板向中間板偏轉，從而減小電極間距離并增大兩下電極之間的電容（如圖2b）。隨著受力的增加，上板進一步偏轉，上電極可能會接觸到下電極，從而實現接觸模式操作（如圖2c）。為了定量評估該傳感器，使用固體力學模塊和交流/直流（AC/DC）靜電模塊進行了COMSOL Multiphysics仿真（如圖2d）。

圖2 傳感器工作原理示意圖及有限元仿真結果

通過使用力控制測試儀器直接在傳感器膜上施加靜態力，初步評估了微加工傳感器的力-電容關系。接下來，研究人員評估了傳感器在模擬皮下植入條件下的性能。相關測試和模擬結果如圖3所示。

圖3 “臺式”傳感器性能

隨后，研究人員進行了一系列實驗，以評估該器件在與預期觸覺傳感應用非常接近的條件下的性能，相關結果如圖4所示。

圖4 活體外傳感器性能

最后，為了評估該傳感器體內植入的耐受性，研究人員進行了初步研究。將一個直徑3 mm的無功能傳感器封裝植入獼猴的指尖（如圖5）。活體外和活體內實驗結果表明，該電容式傳感器系統的器件尺寸適合于指尖皮下植入，可準確估計觸覺力并用于感知恢復系統。

圖5 非人類靈長類動物指尖傳感器封裝植入的活體內初步研究

該傳感器的預期應用是癱瘓病患的閉環手部功能再生治療。本研究所開發的傳感器系統只是該預期應用的一部分（如圖6）。

圖6 癱瘓病患的閉環手部功能再生治療示意圖

綜上所述，研究人員開發了一種用于皮下的植入式觸覺壓力傳感系統。該系統由微加工電容式壓力傳感器、支持無線供電和數據傳輸的定制集成電路以及激光熔融密封硅基封裝共同構成。該微型裝置通過模擬、“臺式”評估和靈長類動物手部測試進行了驗證。植入指尖的傳感器精確測量了施加在皮膚上的力，分辨率為4.3 mN。該新型傳感器的輸出可以通過微刺激在大腦中編碼，以提供觸覺反饋。從更廣泛的角度，材料、系統設計和制造方法的進步均為植入式傳感系統的各類應用建立了新的基礎能力。

這項研究獲得了美國國立衛生研究院基金（R01NS107550）的資助和支持。

編輯：黃飛

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