皮肤不仅是我们体内最大的器官，而且是最大的感觉系统，它每秒收集有关外部刺激及其对我们身体的影响程度的信息。从机械的角度来看，人类皮肤的重建并不是那么困难，但是它仅仅是一种人工保护层，没有神经活动。皇家墨尔本科技大学（澳大利亚墨尔本）的科学家们开发了一种模拟人类皮肤传感器的人工传感器系统。创建这样一个复杂的模仿需要什么，设备的工作原理是什么，可以感知到什么刺激，以及可以在哪里应用这种发展？我们将在科学家的报告中找到这些和其他问题的答案。走。
研究依据
人体皮肤的感觉系统可以分为几个子系统，每个子系统负责某些刺激。最常见和最重要的受体被认为是压力受体（Pacini小体），温度（热感受器）和疼痛感受器（伤害感受器）。
这些受体中的每一个都收集信息并将信号传输到人脑，以进行处理和做出适当的决策。其他感觉系统（视觉，听觉，味觉，气味）也具有类似的操作原理。
逻辑上说，即使考虑到现代的触觉传感器和CMOS（互补金属氧化物半导体结构），这种生物系统也极难复制。
有一些开发实现了基于扩散忆阻器的人工伤害感受器*，其可能表现出由伤害感受器的紧张和松弛阶段组成的正常状态，以及使用外部刺激作为张力的伤害感受器的异常性疼痛和痛觉过敏*的异常状态。
忆阻器*是微电子学中的无源元件，能够根据通过它的电荷来改变其电阻。
*异常性疼痛*是由刺激性物质引起的异常疼痛，这种刺激性物质通常不会疼痛（例如，轻触时会产生疼痛）。根据科学家的说法，这些发展极为重要，因为忆阻器的开关机制取决于直径约1纳米以下的导电细丝。通过使用热电模块和压电压力模块，可以成功实现伤害感受器的四个主要功能中的张力和松弛状态。
痛觉过敏* -身体对疼痛刺激异常高的敏感性。
目前，使用了类似的技术来创建人造眼睛，但是尚未实现以人造皮肤的形式实现它。
在这项工作中，科学家展示了一个模拟帕西尼的小身体，热感受器和伤害感受器的人造电子受体的工作原型。这是通过结合几个功能组件来实现的：
- 基于缺氧的钛酸锶SrTiO3（STO）的忆阻器；
- 拉伸弹性体金基压力传感器（聚二甲基硅氧烷，即PDMS）；
- 基于具有变化的钒氧化物（VO 2）的温度触发。
该概念与以前的概念的主要区别在于，对于体传感器的实际实现，不需要单独且复杂的热电模块和压电压力传感器。因此，开发人员使用了非常便宜且易于获得的氧化薄膜，以及在生物相容性PDMS上的可穿戴压力传感器。
研究成果
在创建任何东西之前，您需要考虑在最终版本中将如何工作以及如何工作。为了创建人造皮肤受体，为功能性帕西尼体，热感受器和伤害感受器的实现开发了一个假设基础（下图）。
图像＃1
人类体感传感器通过脊髓角（灰质突起）连接到脊髓，该脊髓将信息传输到大脑（1a）。有特殊的方法来确定压力（蓝色为1a）和温度（红色为1a）。
帕奇尼的身体是充满液体的膜层。指纹是帕西尼（Pacini）身材矮小的典型例子。当对身体施加局部压力时，身体的一部分变形，导致化学离子（例如，钠或钾）的移动，结果，在皮肤的神经末梢产生了受体电位。当达到足够的能量（阈值）时，该受体电位会在小球内部产生电脉冲，该电脉冲穿过中枢神经系统以激活通过神经纤维的运动反应（蓝色为1a）。
当皮肤温度上升到30°C以上时，热感受器会检测到热量并触发动作电位。激励频率随着激励温度的升高而增加，直到达到饱和值。此外，吸收疼痛信号的热伤害感受器在45°C左右开始燃烧。这些细胞专门用于检测有害的热量和灼伤。
当位于自由神经末梢的热神经元接收到有害刺激时，会将电响应发送至伤害感受器，以比较刺激的幅度是否超过了产生动作电位的阈值，并通过脊髓将其发送至中枢神经系统（1a红色）。
为了创建类似的人工受体，已使用金和PDMS压力传感器在有和没有施加压力的情况下在低电阻（LRS）状态和高电阻（HRS）状态之间切换，以模拟Pacini小体（1b和1c）。
为了模拟热感受器和伤害感受器的行为，使用了VO 2相变，该相变可以从室温下的HRS转变成高于转变温度（68°C）的LRS。
另外，STO（钛酸锶）电阻开关存储器用作评估阈值水平的决策元素。
对于人造的帕西尼身体，当没有可检测到的压力时，由于偏置电压而无法通过决策忆阻器（I 1）的电流启动电动机响应（1b）。当施加压力时，变送器进入HRS模式，阻塞I 2，允许最大电流流过忆阻器。由于I 1较高，基于STO的忆阻器切换到LRS。因此，较高的电流流过身体，引起电机反作用（1c）。
在热感受器和伤害感受器VO 2的情况下在结温下，电阻可以表现出三到四个数量级的变化。如果温度低于结温，则VO 2为绝缘体。
因此，少量电流流过接收器，并且出现在忆阻器上的电压不足以将其导通（1d）。当达到结温时，VO 2切换到LRS，其结果是忆阻器上出现了更高的电势，这导致它切换到LRS。当VO 2和STO都位于LRS中时，增加的电流流过接收器（1e）。
帕西尼的人造体
在创建了未来设备的概念之后，科学家开始了分阶段实施。第一步是创建人造Pacini车身，为此使用了基于氧的STO和堆叠结构的忆阻器：Pt（100 nm）/ Ti（10 nm）/ STO（55 nm）/ Pt（25 nm）/ Ti（7 nm）和SiO 2衬底。
底部Ti层用作下部Pt层的粘合层，并且上部Ti层用作储氧剂并且还用作Pt上部层的粘合层。下部Pt层参与转换过程，而上部Pt层用作惰性材料，可防止TiO 2暴露于环境氧中。
压力传感器的结构受到Pacini的生物小体的启发，该小体呈螺旋形，轨道宽度为100微米。整个线圈的直径为7.8毫米。为了创建传感器，将Au（200 nm）/ Cr（20 nm）沉积在厚度为300μm的PDMS上。
图像＃2
图像2a显示了与小牛的人工等效物，其中包含忆阻器和压力传感器。
压力传感器网络的工作方式允许接收器激活忆阻器，该忆阻器充当决策组件。
在生物系统中，当达到足够的受体电势时，决策组件可以产生电脉冲来激活中枢神经系统的运动。为了用特定的阈值复制该功能，需要压力传感器感测特定范围的压力值。为了简化系统效率的演示，科学家决定将这一点简化为仅两个值：存在很大压力，根本没有压力。
选择100kΩ的固定电阻以限制流经压力传感器网络的电流，该电阻的电阻仅为0.6kΩ。这样可以确保系统在没有压力的情况下显示非常低的电流。图2b显示了独立压力传感器的响应和可重复性。
当施加压力时，压力传感器由于变形和破裂而进入具有约1GΩ电阻的非常HRS，这在基于PDMS的传感器中非常常见。变形和裂缝会在多次循环后降低压力传感器的性能，但这并不能阻止对人工传感器概念本身的论证。释放压力后，裂隙再次闭合，形成LRS，从而使传感器返回其原始状态。
在生物传感器中观察到类似的模式，该传感器也变形，从而在施加压力时导致化学离子的移动。
应该注意的是，由STO忆阻器元件组成的决策组件必须首先通过在上下电极上以1μA的极低电流施加偏置电压进行电铸。该阶段为通过STO形成导电细丝创建了局部通道。然后需要电压扫描以在HRS和LRS状态之间切换设备。
同样重要的是，在没有施加压力的情况下，流过忆阻器的电流不足以对其进行切换。但是，当施加压力时，包含分支的传感器进入HRS状态，这导致忆阻器上的受体的最大电势（1s）。当达到受体电位的阈值时，决策忆阻器从HRS状态切换到LRS状态（2c）。在这种状态下，施加的顺序0→+0.85 V→0→1.12 V→0将器件在正周期切换为LRS状态，在负半周期（2d和2e）切换为HRS状态。
要将设备转换为LRS，仅考虑正半周期。根据图像2d，当不施加压力时，压力传感器电路的总电阻为100.6kΩ，而并联决策组件（忆阻器）的电阻为70kΩ。因此，整个Pacini主体的等效电阻为41.2kΩ。
该等效电阻使整个电路仅流过0.02 mA的电流，这可以认为是松弛状态。施加压力会将压力传感器电路转换为1GΩ的极高电阻，而忆阻器的电阻仅为2.5kΩ左右，整个Pacini主体的等效电阻会改变约2.5kΩ。这种低阻抗条件允许整个电路中的电流≥0.35 mA。
因此，压力刺激产生的响应信号几乎比放松状态下的响应信号高18倍，这可以使中枢神经系统启动其运动反应。电机响应完成后，可以使用未使用的电极将反极性施加到忆阻器上，以初始化Pacini小球。
人工热感受器
为了在忆阻器的底部创建一个热感受器，使用了与Pacini小身相同的堆叠结构，即 金属-绝缘体-金属（MIM）。
图像№3
与VO 2（3a和3b）的表面结合使用的上部电子，用于顺序连接热传感器。为了置换整个装置，将该Pt（100 nm）/ Ti（10 nm）电极层沉积在VO 2表面上。初始电极和上部忆阻器电极之间保持100μm的实质距离。
在图3c中图中显示了一个热感受器连接图，其中偏置是通过金属施加到热传感器，并且接地（图中的GND）连接到忆阻器的下部电极，从而做出决定。
图3d显示了VO 2薄膜上介电金属过渡的电阻与温度的关系曲线。显然，当达到转变温度时，电阻率下降四个数量级。在加热和冷却循环中也观察到明显的热滞。还发现温度对电阻切换（3e）没有明显影响。
忆阻器可以指示在切换过程中电阻从100 kOhm变为2 kOhm。但是，为了更清晰的分析，决定在80 mV读取电压（V READ）下将HRS状态的电阻视为93kΩ，将LRS状态的电阻视为9kΩ ，因为在此电压下观察到最大开关比R OFF / R ON。成品离线设备的电压切换顺序为：0→+0.65 V→0→0.80 V→0。当将相同的顺序应用于整个热感受器时，电阻会降低，因此接收器电流会随着温度的升高而增加（3f）。
为了提供所需的开关电压，接收器温度保持在70°C。这是为了确保VO 2处于LRS状态。然后，施加0至2 V的偏置电压会完全设置并重置设备（4a）。
图片＃4
对于做出忆阻器的决定，其初始电阻93kΩ远低于热传感器的HRS 11MΩ。因此，出现在决策忆阻器上的分电压无法达到将其从HRS转换为LRS的VSET阈值。因此，热传感器和忆阻器都处于HRS状态，这允许最小电流流过热感受器[ 4b（i） ]。
当施加70°C的临界温度时，温度传感器的电阻降低四个数量级，并且随着受体响应的增加，忆阻器的分压逐渐升高至SET电压[ 4b（ii） ]。一旦VSET接通忆阻器，它就会以9kΩ的电阻从HRS进入LRS [ 4b（iii） ]。
在这一阶段，形成最大的受体反应。即使完全禁用热刺激，LRS内存也将保留很长时间。要对忆阻器进行重新编程，负电压VRESET可以将其从LRS传输到HRS [ 4b（iv） ]。为此，可以从未使用的电极（3c）施加负电压。
人工伤害感受器
可以肯定地说，伤害感受器与对应感受器明显不同。伤害感受器遍布整个人体，位于感觉神经元轴突的末端。
为了避免受到有害刺激，伤害感受器会以两种方式做出反应：正常和异常。
在正常情况下，当终止于皮肤的神经受到有害刺激时，会向伤害感受器发送响应信号，以比较该信号是否超过某个阈值，并确定是否需要为中枢神经系统产生动作电位。在此正常状态下，伤害感受器会缓慢关闭一段时间，称为松弛过程。通过利用此阈值和放松过程，伤害感受器使身体免受任何有害的关键刺激和持续刺激的影响。
当人体面临接近伤害感受器损害阈值的刺激时，就会发生异常反应，在这种状态下，伤害感受器将充当正常受体，以避免进一步伤害。如果仍然受到伤害，那么受影响组织的脆弱性就会增加。伤害感受系统通过局部降低伤害感受阈值并促进伤害感受反应来适应这种增加的脆弱性，从而提供足够的组织保护。
伤害感受器在异常情况下表现出两种不同的行为：异常性疼痛和痛觉过敏。
异常性疼痛以较低的阈值响应，而当超过阈值时痛觉过敏产生较强的响应，这表明在异常情况下没有伤害感受器阈值。
为了观察人工热感受器在正常条件下的行为，该行为在有害刺激下充当伤害感受器，将设备切换至LRS，并以V READ 80 mV读取读数。
由于生物伤害感受器的响应高度依赖于刺激的强度，因此人工伤害感受器会受到一系列温度刺激，强度范围从66到82°C（5a）。
图像＃5
图5b显示了相对于所施加热刺激强度的响应信号。应当注意的是，直到温度脉冲达到所用VO的转变温度68°C时，伤害感受器才会打开2。因此，当VO 2由于温度引起的跃迁而错过LRS时，大电流开始流经电路。这种命令类似于生物系统，其中当刺激强度达到临界值以上的值时，伤害感受器会产生触发大脑的动作电位。
刺激强度进一步增加到阈值以上会导致更大的电流，这也与生物类似物的响应一致：刺激强度越高，响应强度越高。曲线图5c显示了加热和冷却刺激以及在68°C时的相应响应。
图5d显示了有害刺激关闭后随时间变化的响应信号衰减，即因为对基于STO的忆阻器没有温度影响，所以由VO 2确定的弛豫过程。
由于VO 2电阻随温度随时间降低而增加的趋势，人工伤害感受器限制了通过电路的电流，因此观察到响应信号强度的降低。
由于较高的刺激而产生的较强反应需要相对较长的时间才能完全放松。例如，在68°C时的响应需要100 s才能达到0.5μA的基本电流，而在80°C时的响应无法在100 s内完全放松。
为了观察设备在异常条件下的行为，对人工伤害感受器施加了刺激，其强度远高于正常条件下的感受器。
伤害感受器以每分钟20度的速度加热到90°C，然后冷却到60°C，在正常条件下低于阈值（68°C）。
接下来是从60℃加热到90℃，这是确定是否存在阈值降低和反应增强的必要条件，这是异常性疼痛和痛觉过敏的主要特征。
将顺序60→90→60→90应用于接收器的VO 2部分以及整个包含VO 2和金属-绝缘体-金属叠层（6a）的接收器。
图片编号6
该图清楚地表明，与整个伤害感受器（6b）的信号相比，VO 2（6a）中的响应信号线性得多。这是可以预期的，因为在转变后，在高刺激强度下，VO 2处于几乎金属状态，具有相对较低的5 kOhm电阻。此外，施加的VREAD偏压（80 mV）可以电调节电压VO 2使其更多金属，从而产生线性响应。 同时，当在整个伤害感受器上出现相似的V READ偏置时，忆阻器两端将出现最大电压降，该电压降处于LRS状态（9kΩ）。在这个阶段，VO的电压
2不足以显示线性响应。因此，此行为是非线性的。
图6c显示了异常性疼痛和痛觉过敏的行为。在生物系统中，对于阈下（异常性疼痛）和阈上（痛觉过敏）刺激强度，异常状态下的响应强度更高。
在6d上显示了对两个加热顺序循环的响应，顺序为60→90→60→90°C。在这里您可以看到第二个加热周期的响应增加了，阈值减小了。
人工受体的行为清楚地显示出低于阈值强度的异常性疼痛和高于阈值强度（70°C）的痛觉过敏。由此得出结论，通过降低阈值并增加反应强度，伤害感受器可以激活和增强防御反应，例如撤回或避免急性疼痛刺激。
演示了Pacini小身材的电子等效功能的工作原理。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他补充材料。
结语
人脑是最复杂的生物系统之一。但是，我们不能否认这样的事实，即人类的皮肤也同样复杂，特别是考虑到它执行的功能相当多。
以人工等效的方式重现皮肤的某些功能并不难，但是对于收集有关环境信息的受体而言，它是行不通的。
但是，科学家们仍然设法在捕获压力，温度和疼痛的人工受体的产生方面取得了一些成果。
根据这项工作的作者，他们的设备能够区分轻触和例如针刺。乍一看，这些都是很平常的事情，但是以前电子接收器没有这种精度。
将来，自然而然地，科学家们打算继续他们的工作，以扩大感知到的外部刺激的范围，这将使他们的设备更加精确。这样的发展必将不仅在假肢，甚至在机器人技术中找到其应用。
谢谢您的关注，请保持好奇，祝您周末愉快！:)
一点广告
感谢您与我们在一起。你喜欢我们的文章吗？想看更多有趣的内容吗？通过下订单或向朋友推荐，为开发人员提供云VPS，最低价格为4.99美元，这是我们为您发明的入门级服务器 的独特类似物：关于VPS（KVM）E5-2697 v3（6核）的全部真相10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps从$ 19还是如何正确划分服务器？（RAID1和RAID10可用的选件，最多24个内核和最多40GB DDR4）。
阿姆斯特丹的Equinix Tier IV数据中心的Dell R730xd 2x是否便宜？只有我们有2台Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100电视在荷兰起价199美元！戴尔R420-2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB-$ 99起！阅读有关如何构建bldg的基础结构的信息。戴尔R730xd E5-2650 v4服务器上的价格为9000欧元的价格？