Шкура искусственная: Шкура искусственная цвет белый 55х80 см

Dermagraft (Advanced Tissue Sciences, La Jolla, CA) представляет собой криоконсервированный кожный заменитель человеческого фибробласта. Это продукт, похожий на Аплиграф в том, что его кожный компонент получен из неонатальных фибробластов. Однако, в отличие от Аплиграфа, Дермаграфт не содержит ни эпидермального компонента, ни бычьего коллагена.Внеклеточный матрикс продуцируется фибробластами, которые выращиваются в биосинтетической сетке из полигликолевой кислоты. Dermagraft одобрен FDA для лечения нейропатических и диабетических язв стопы и ран, вторичных по отношению к буллезному эпидермолизу. Он стоит 34 доллара США / см ² и имеет шестимесячный срок хранения. Dermagraft и TransCyte были проданы Smith + Nephew компании Advanced BioHealing в 2006 году.

TransCyte (Advanced BioHealing) — продукт, аналогичный по своей природе Dermagraft. Неонатальные фибробласты культивируют на каркасе из нейлоновой сетки, покрытой бычьим коллагеном.Дермальный слой (решетка фибробластов-коллаген-нейлон) затем покрывается силиконом для обеспечения антимикробного, жидкостного и температурного регулирования. Он был одобрен FDA для лечения полных и частичных ожогов.

Integra (Integra Lifesciences Corp, Плейнсборо, Нью-Джерси) представляет собой бесклеточный, чисто биосинтетический кожный заменитель. Шаблон для регенерации кожи Integra Dermal Regeneration Template был первым заменителем кожи, одобренным FDA. Он состоит из (бычьего) коллагена I типа и хондроитин-6-сульфата на силиконовой основе.Дермальная матрица коллаген-хондроитин предназначена для роста клеток из раневого ложа, в то время как силиконовый слой функционирует как искусственный эпидермис, регулируя потерю тепла и жидкости и обеспечивая некоторую степень антимикробной защиты. После интеграции с ложем раны силиконовая подложка удаляется, и неодерма служит ложем-реципиентом для аутотрансплантата разделенной толщины. Интегра одобрена для использования как при полных, так и при частичных ожоговых ранах.

Alloderm (Lifecell, Branchberg, NJ) представляет собой дермальный матрикс, полученный из кожи трупа, обработанной с использованием запатентованной технологии Lifecell.Эпидермис и клеточные компоненты дермы удаляются во время этого процесса, оставляя каркас, состоящий из коллагена, эластина, фибронектина, протеогликанов и трехмерной решетки микрососудов (без самих сосудов). О бесчисленном множестве применений, о которых сообщалось для Alloderm, относится реконструкция груди, урогинекология, ортопедия и травматология. Выручка от Alloderm за 2007 год составила более 167 миллионов долларов США.

Biobrane (UDL Laboratories, Inc, Рокфорд, Иллинойс) — это полностью биосинтетическая повязка, сделанная из нейлоновой сетки, покрытой свиным коллагеном, залитой силиконом.Это временная повязка, используемая для прикрытия ожоговых ран. Его можно хранить при комнатной температуре три года.

OrCel (OrCel International, New York, NY) — это продукт, который также похож на Apligraf в том смысле, что он представляет собой аллогенный двухслойный заменитель, содержащий культивированные человеческие фибробласты и кератиноциты. Отличительной особенностью является то, что фибробласты засеваются на предварительно сформированный матрикс, в то время как фибробласты в Apligraf совместно культивируются с коллагеном в растворе. В то время как Аплиграф имеет роговой слой в результате воздействия воздуха во время процесса эпителизации, OrCel этого не делает.OrCel одобрен FDA для использования на участках донорского трансплантата кожи с разделенной толщиной и для лечения деформации руки рукавицы после буллезного эпидермолиза.

Oasis (Healthpoint, Ltd, Форт-Уэрт, Техас) представляет собой бесклеточный кожный заменитель, изготовленный из подслизистой оболочки тонкого кишечника свиньи (SIS). Как и другие сложные трехмерные каркасы, представленные на рынке, Oasis способствует росту нативных клеток в матрице. Со временем организм впитывает матрицу. Срок хранения Oasis составляет два года при комнатной температуре.Стоимость лечения небольшой язвы нижних конечностей в течение 12 недель с многократным нанесением матрицы составила 320 долларов США.

Культивированный эпидермальный аутотрансплантат (CEA), один из первых биоинженерных заменителей кожи, был впервые предложен в начале 1980-х Райнвальдом и Грином. Перспективой этого метода была способность генерировать количество аутотрансплантата из очень маленького образца кожи. Польза для пациентов с высоким процентом ожогов поверхности тела очевидна. Однако недостатки CEA ограничивают их использование.К ним относятся стоимость, рыхлость и отсутствие кожного слоя. CEA отводили роль биологической повязки. Другие существующие варианты биологических повязок для пациентов с обширными ожогами в настоящее время делают использование CEA непрактичным.

Epicel (Genzyme Biosurgery, Кембридж, Массачусетс) — самый известный CEA на рынке. Аутологичные кератиноциты размножаются ex vivo в совместном культивировании с фидерными клетками фибробластов мыши 3Т3. После расширения неоэпидермальный слой состоит из слоев кератиноцитов переменной толщины, расположенных в виде листов.Эти листы помещаются на носитель и отправляются обратно нуждающемуся пациенту. Epicel стоит дорого (21 доллар США / см ² ) и имеет 24-дневный срок хранения в охлаждаемой упаковочной системе.

Консультация ручного терапевта: искусственная кожа

Мы отвечаем на ваши вопросы об искусственной коже.

У моей подруги сильный ожог руки. Она упомянула, что врач использовал искусственную кожу на ее руке. Что такое искусственная кожа?

Искусственная кожа — это термин, используемый для описания группы продуктов, используемых для лечения ожогов и других ран.Кожа — самый большой орган в нашем теле. Вы можете думать об этом как о крепости. Его главная цель — обеспечить защиту структур внутри нашего тела, а также поддерживать регулирование температуры нашего тела. Ожог или рана — это дыра в этой крепости, которая делает нас восприимчивыми к инфекциям или потере важных жидкостей. Наша кожа обладает замечательной способностью к самовосстановлению, но иногда травма может затрагивать настолько большую область, что тело не может заживать достаточно быстро, чтобы предотвратить осложнения. Иногда эти раны могут быть закрыты кожными трансплантатами из других частей тела.Однако это может быть болезненным, и, если область очень большая, пересадка кожи может быть невозможна. Искусственная кожа может быть одним из способов прикрытия этих участков.

Из чего они сделаны и как работают?

Существует несколько различных типов искусственной кожи, но все они созданы для замены одного или нескольких слоев кожи. Искусственная кожа производится биоинженерией из различных типов клеток кожи. Некоторые из них изготавливаются с использованием собственных клеток кожи пациента, тканей пожертвованных трупов, клеток тканей животных или их комбинации.Как они работают, зависит от функции кожи, которую они пытаются заменить. Одним из примеров является продукт для искусственной кожи, который работает как «каркас», где лист покрывает рану и создает ложе, на котором могут расти собственные клетки кожи пациента. Другой тип может быть распылен на рану для создания каркаса. Для этого по-прежнему потребуется кожный трансплантат, но теперь можно использовать гораздо меньший и более тонкий трансплантат. Новые исследования создают искусственную кожу, которая воспроизводит все слои кожи, устраняя необходимость в кожном трансплантате.Хирург внимательно осматривает ожог или рану, чтобы определить, какой вариант будет наиболее подходящим.

Моя подруга упомянула, что она ходила к ручному терапевту. Что может сделать ручной терапевт пациенту с искусственной кожей?

Вначале ручной терапевт может помочь в уходе за раной после операции. У них есть специальная подготовка по типам перевязок и повязок, которые необходимы, как защитить рану и искусственную кожу, и они могут сделать ортез, который защитит область во время заживления.После того, как искусственная кожа выполнит свою работу и рана пациента зашита, ручному терапевту может потребоваться помочь обработать образовавшийся рубец и помочь пациенту восстановить движение и функцию в пораженной части тела.

Для получения дополнительной информации о ручных терапевтах и ​​о том, как они могут помочь вам с этими и другими типами состояний, посетите: https://www.asht.org/patients

Если вы хотите найти ручного терапевта в вашем районе посетите: https://www.asht.org/find-a-therapist

Кимберли Маскер, OTD, OTR / L, CHT, является сертифицированным терапевтом и членом Американского общества рук. Терапевты и аффилированный член Американского общества хирургии кисти.

Искусственная кожа с помощью метода сверхчувствительности и данных об электрическом импедансе проводящей ткани с помощью глубокого обучения

В этой работе основное внимание уделяется визуализации давления на основе EIT. Используемый специальный датчик состоит из проводящей ткани и деревянной круглой рамки с 16 электродами на границе. Проводящая растягивающаяся ткань LTT-SLPA, использованная в эксперименте, была произведена Eeonyx Corp со способностью растягиваться в обоих направлениях, поверхностное удельное сопротивление (проводимость) изменяется при растяжении или сжатии, изготовлено из эластичного нейлона / спандекса и покрыто длинным слоем. прочный проводящий состав, который обеспечивает удельное поверхностное сопротивление в диапазоне от 10 ⁴ до 10 ⁷ Ом / кв.Два электрода используются для ввода постоянного тока в проводящую ткань, другие электроды получают начальное значение напряжения. Затем, прижимая проводящую ткань к круглой области датчика, электроды на границе будут генерировать новое показание напряжения. Используя это новое значение минус начальное значение напряжения, чтобы получить разность напряжений (Δ В ). Разность напряжений используется для отображения карты давления с помощью обработки MATLAB. Мы провели несколько экспериментов, и здесь показаны две серии экспериментов для сравнительного изучения.

Тест с одним объектом

В этом тесте одним пальцем оказывалось давление на ткань по круглой области датчика ткани (как показано на рис. 3 (а)). Сначала были собраны фоновые данные, а затем прикладывалась сила из первой контрольной точки. Точка давления двигалась против часовой стрелки около границы и перемещалась к центру после одного поворота. Используется система сбора данных KHU Mark 2.5 (Университет Кён Хи, Южная Корея) с темпоральной частотой 50 кадров в секунду. Но когда дело доходит до электромеханического распознавания, которое включает в себя механическое перемещение ткани, эти 50 кадров в секунду не могут быть достигнуты.Временное разрешение составляет около 1 кадра / сек. В этом случае было собрано 397 наборов данных сканирования.

Единственная точка давления, движущаяся против часовой стрелки, а затем по диагонали к центру.

Рисунок 3 (b) показывает 21 снимок реконструированного изображения для касания одним пальцем, идущего против часовой стрелки, и от кадра 13, перемещающегося в верхний левый угол, а затем через центр.

Тест с двумя объектами

В этом эксперименте используется тот же подход, что и в первом тесте, две точки давления применяются одновременно и перемещаются по часовой стрелке.В этом случае было собрано 252 набора данных. На рисунке 4 показано движение двух точек касания пальцами по часовой стрелке.

Двойные точки давления, вращающиеся по часовой стрелке.

Реконструкция временного изображения с использованием современного телевизионного алгоритма выполняется очень хорошо, используя преимущества временной корреляции между кадрами данных. Это включает в себя простоту обнаружения точек давления в центральной области ткани, что всегда является проблемой для EIT-тестирования ткани на большой площади. В этих изображениях все еще остаются некоторые артефакты, и если мы вернемся к покадровой реконструкции (без использования временных корреляций), то эти шумы станут более серьезными.Следующий раздел направлен на решение этих проблем с помощью артериального интеллекта.

Обработка изображений — глубокое обучение

С самого начала исследований EIT известно, что несоответствие формы и неопределенность положения электродов являются ключевыми источниками ошибок при реконструкции изображений ²² . В большинстве промышленных приложений и симуляций фантомов электроды стабильно устанавливаются вокруг границы, и на реконструкцию в этих случаях движение электрода не влияет.Однако в ткани EIT натуральная ткань вызывает несоответствие формы при приложении давления.

Стрелками на рис. 5 обозначено движение каждого электрода. На изображении фантомных данных нет движения электрода, что дает довольно хороший результат реконструкции. Для данных о ткани восстановленные изображения повреждены шумом, вызванным перемещением электродов. Чем ближе точка давления к границе, тем сильнее будет воздействие на электрод вокруг точки давления, тем большая амплитуда движения этих электродов приведет к большему коллапсу при восстановлении изображения.Кроме того, область вокруг точки давления размыта из-за сетчатой ​​структуры ткани, особенно когда имеется более одной точки давления, разделение может быть затруднено, как показано на рис. 5 (d).

Вверху: восстановленные изображения для фантомных данных ( a ) с одним непроводящим включением и данных ( b ) ткани с одной точкой давления в верхнем левом углу. Внизу: восстановленные изображения для данных ткани с ( c ) одной точкой давления рядом с границей и ( d ) двумя точками давления.Точка давления в центральной области является сложной задачей из-за более низкой чувствительности EIT, но потенциально оказывает меньшее влияние на движение электрода.

Невозможно изменить эластичную структуру ткани, и это большое преимущество в таких приложениях, как искусственная кожа и мониторинг носимых устройств. Следовательно, подразумевается, что пост-обработка изображения необходима для улучшения качества и видимости изображения, вызванного этими неизбежными физическими явлениями. На рисунке 6 показано восстановленное изображение и типичное удержание, исходное изображение и включенные шумы, но систематическая ошибка, такая как показанные на рис.5 из-за движения электрода можно было удалить при обучении ИИ.

Переход от необработанного EIT-изображения (слева) к пороговому изображению (справа).

Цель состоит в том, чтобы удалить артефакты электродов, что можно сделать с помощью глубокой сверточной нейронной сети. В общем, нейронная сеть состоит из входного слоя, набора скрытых слоев, образованных нейронами, и выходного слоя. Нейрон содержит всю входную информацию x , где x — вектор, взаимодействующий с весами w (обучаемый параметр).Результат взвешенной суммы xw проходит через функцию активации f . Таким образом, выходной сигнал нейрона равен \ (y = f \, (\ sum {x} _ {i} {w} _ {i}) \).

В случае классической нейронной сети каждый нейрон принимает все значения из предыдущего слоя в качестве входных данных, как показано на рис. 7. Это означает, что для сети с изображением в качестве входных данных, состоящей приблизительно из 10-20 слоев, будет миллионы весов, которые нужно изучать одновременно, и количество вычислений огромно. В изображениях ткани EIT размер невелик, но количество вычислений остается очень важным.Какая сверточная нейронная сеть достаточно хороша при обработке изображений из-за меньшей сложности вычислений за счет разделения параметров, нейроны не принимают во внимание все пиксели в качестве входных данных. И этот тип вычислений учитывает соседство на изображениях ²⁵ .

Обычная трехуровневая нейронная сеть.

База обучения создается путем ввода набора зашумленных изображений и вывода всех очищенных изображений. Сеть обновляется информацией посредством обучения, которое изменяет веса против до достижения желаемого результата, а затем набор невыпущенных изображений может быть отправлен в сеть для улучшения видимости.База обучения должна быть максимально прочной. В нашем случае входными данными являются изображения, представляющие точку давления, которая проходит по всем доступным участкам ткани со значительным шумом, связанным с электродами. Результатом является улучшенное изображение, которое мы хотим, в общем, идеальное изображение неизвестно, поэтому в этом обучении были созданы «идеальные» изображения. Пример создания «идеального» изображения показан на рис. 8. Подавление границ, применяемое для удаления шума электрода, и большие размеры капель сохраняли только значения, превышающие 55% от максимальной амплитуды, поскольку даже небольшая точка давления может создавать большая капля из-за деформации материала.Кроме того, были удалены небольшие пятна размером менее 15 пикселей.

Набор необработанных и обработанных изображений.

В этом обучении изображения используется сверточная нейронная сеть U-net, реализованная с помощью Tensorflow (https://www.tensorflow.org/), структура этой сети показана на рис. 9. Этот тип сети обычно используется в биомедицинской сегментации изображений, также дает хорошие результаты при решении задач классификации и реконструкции изображений ²⁶ .

Структура сверточной нейронной сети архитектуры U-net.

Обучение 1

Обучение на основе одного набора данных объекта из первого эксперимента состоит из 439 пар изображений, где одна пара изображений содержит необработанное изображение и желаемое изображение. После завершения обучения новые изображения с шумовыми артефактами могут быть отправлены в нейронную сеть, и мы надеемся, что результат будет улучшенным. Предлагаемая сеть может быть упрощена до меньшей сети, поскольку общая задача в этой проблеме 2D и времени менее требовательна, чем некоторые другие сложные задачи, с которыми может справиться U-net.

Измерение качества очистки изображения производится двумя способами.

Тестирование сети проводилось с исходными обучающими данными, так как в этом наборе занята почти каждая возможная позиция, набор является исчерпывающим. Результаты обучения показаны на рис. 10, шум электродов практически подавлен, 21 соответствующий кадр на рис. 3б значительно улучшен. Точки давления четко обнаруживаются, и они почти близки к «идеальным» изображениям, поскольку набор тестовых данных такой же, как и набор для обучения.

( a ) Один кадр теста одной точки давления и ( b ) 21 соответствующий кадр, улучшенный через сеть, обученную с одним набором данных объекта.

Второй тест для проверки устойчивости обучения состоит в том, чтобы увидеть, как два изображения объектов улучшаются с помощью одной обученной сети. Тест проводился на 273 изображениях из второго эксперимента.

Результаты показаны на рис. 11, сравните с изображениями до обработки на рис. 4, точки давления четко обнаруживаются, большая часть шума, вызванного электродами и деформацией ткани, устранена.Также следует отметить, что разделение между объектами очень хорошо просматривается, что приводит к лучшему разрешению. MSE рассчитаны на рис. 12, погрешность вывода уменьшена более чем вдвое.

( a ) Пример и ( b ) 21 соответствующее улучшенное изображение, полученное для двух объектов, прошедших через сеть, обученную одному объекту.

Сравнение MSE на входе (синий) и выходе (красный) сети, обученной с одним изображением объекта и протестированной с двумя изображениями объекта.

Обучение 2

Другой подход — обучить сеть с помощью изображений двух объектов. В этом эксперименте набор данных обучения использовал набор тестов в последнем разделе, состоящий из 273 пар изображений, из эксперимента с двумя объектами. После завершения обучения первый тест должен был посмотреть на улучшение качества изображения для двух изображений объектов.

Результаты снова действительно хорошие, как показано на рис. 13, шум электродов в основном устранен, а разделение между объектами выполнено хорошо.

Улучшение изображения двух объектов, прошедшего через обученную сеть двух объектов.

Поскольку набор тестовых данных был таким же, как набор обучающих данных в последнем эксперименте, во втором эксперименте используется один набор данных объекта из 439 пар изображений, который совпадает с набором данных одного объекта в Training 1 .

Это интересное наблюдение, когда нейронная сеть использовалась для обучения с использованием данных о двух точках давления и проверена по сравнению с экспериментом с одной точкой, результаты были очень хорошими, показанными на рис.14. MSE выходного сигнала уменьшается, как это показано на рис. 15. Сравните с изображениями на рис. 3 (b), видимость значительно улучшена, амплитуда и расположение точки давления более конкретны, почти все ошибки, вызванные перемещением электродов, устранены.

Результат улучшения изображения одного объекта, проходящего через обученную сеть двух объектов.

Сравнение MSE на входе (синий цвет) и выходе (красный цвет) сети.

Поведение проводящей ткани является сложным как в резистивном, так и в реактивном отношении под воздействием переменного тока и приложенным переменным током из-за емкостей, возникающих при взаимодействии проводящих нитей и воздушных зазоров. Растяжимая проводящая ткань проявляет еще более сложное поведение. Из-за сложной природы этого восприятия подход глубокого обучения, показанный в этой статье, на самом деле делает больше, чем постобработку изображения, он преодолевает некоторые из этих неопределенностей модели, которые чрезвычайно трудно моделировать на физическом уровне.

Исцеление искусственной кожи

Искусственная кожа — это заменитель кожи человека, произведенный в лаборатории, обычно используемый для лечения тяжелых ожогов.

Различные типы искусственной кожи различаются по своей сложности, но все они созданы для имитации по крайней мере некоторых основных функций кожи, в том числе защиты от влаги и инфекций и регулирования температуры тела.

Как работает искусственная кожа

Кожа в основном состоит из двух слоев: самый верхний слой, эпидермис , , который служит барьером против окружающей среды; и дерма , слой под эпидермисом, который составляет примерно 90 процентов кожи.Дерма также содержит белки коллаген и эластин, которые помогают придать коже ее механическую структуру и эластичность.

Искусственная кожа работает, потому что закрывает раны, что предотвращает бактериальную инфекцию и потерю воды, а также способствует заживлению поврежденной кожи.

Например, одна широко используемая искусственная кожа, Интегра, состоит из «эпидермиса», сделанного из силикона и предотвращающего бактериальную инфекцию и потерю воды, и «дермы» на основе бычьего коллагена и гликозаминогликана.

«Дерма» Integra функционирует как внеклеточный матрикс — структурная опора, находящаяся между клетками, которая помогает регулировать поведение клеток — которая вызывает формирование новой дермы, способствуя росту клеток и синтезу коллагена. «Дерма» Integra также является биоразлагаемой, абсорбируется и заменяется новой дермой. Через несколько недель врачи заменяют силиконовый «эпидермис» тонким слоем эпидермиса из другой части тела пациента.

Использование искусственной кожи

• Лечение ожогов: Искусственная кожа обычно используется для лечения ожоговых травм, особенно если у пациента недостаточно здоровой кожи, которую можно пересадить на рану.В таких случаях организм не может генерировать клетки кожи достаточно быстро, чтобы заживить поврежденную кожу, и травма пациента может стать летальной из-за значительной потери жидкости и инфекции. Таким образом, можно использовать искусственную кожу, чтобы немедленно закрыть рану и улучшить выживаемость.
• Лечение кожных заболеваний: Некоторые искусственные кожные продукты, такие как Аплиграф, использовались для лечения хронических ран на коже, таких как язвы, которые представляют собой открытые раны, которые заживают очень медленно. Их также можно применять при кожных заболеваниях, таких как экзема и псориаз, которые часто охватывают большую часть тела, и могут помочь искусственные кожи, содержащие лекарства, которые могут легко обернуть вокруг пораженного участка.
• Исследования в области потребительских товаров и медицины: Помимо использования в клинических условиях, искусственная кожа может также использоваться для моделирования кожи человека для исследований. Например, искусственная кожа используется в качестве альтернативы испытаниям на животных, которые часто используются для оценки того, как косметические или медицинские продукты влияют на кожу. Однако это испытание может вызвать у животных боль и дискомфорт и не обязательно предсказывает реакцию кожи человека. Некоторые компании, такие как L’Oréal, уже использовали искусственную кожу для тестирования многих химических ингредиентов и продуктов.
• Искусственная кожа может также имитировать кожу для других исследовательских приложений, включая то, как кожа подвергается воздействию ультрафиолета и как химические вещества в солнцезащитном креме и лекарствах переносятся через кожу.

Типы искусственной кожи

Искусственная кожа имитирует эпидермис или дерму, или и эпидермис, и дерму, заменяя кожу «на всю толщину».

Некоторые продукты основаны на биологических материалах, таких как коллаген, или биоразлагаемых материалах, которых нет в организме.Эти кожные покровы также могут включать небиологический материал в качестве другого компонента, например силиконовый эпидермис Интегры.

Искусственную кожу также производили путем выращивания слоев живых клеток кожи, взятых у пациента или других людей. Одним из основных источников является крайняя плоть новорожденных, взятых после обрезания. Такие клетки часто не стимулируют иммунную систему организма — свойство, которое позволяет плодам развиваться в утробе матери без отторжения — и, следовательно, с гораздо меньшей вероятностью будут отторгаться организмом пациента.

Чем искусственная кожа отличается от кожных трансплантатов

Искусственную кожу следует отличать от кожного трансплантата, который представляет собой операцию, при которой здоровая кожа удаляется у донора и прикрепляется к поврежденному участку. Донором предпочтительно является сам пациент, но он также может поступать от других людей, включая трупы, или от животных, таких как свиньи.

Однако искусственная кожа также «прививается» к раненому участку во время лечения.

Улучшение искусственной кожи для будущего

Хотя искусственная кожа принесла пользу многим людям, можно устранить ряд недостатков.Например, искусственная кожа стоит дорого, поскольку процесс ее изготовления сложен и требует много времени. Кроме того, искусственная кожа, как и листы, выращенные из клеток кожи, также может быть более хрупкой, чем их натуральные аналоги.

Однако по мере того, как исследователи продолжают улучшать эти и другие аспекты, разработанные скины будут продолжать помогать спасать жизни.

Список литературы

• Brohem, C., da Silva Cardeal, L., Tiago, M., Соенгас, М., де Мораес Баррос, С., Мария-Энглер, С. «Искусственная кожа в перспективе: концепции и применения». Исследование пигментных клеток и меланомы , 2011, т. 24, вып. 1, стр. 35-50, DOI: DOI: 10.1111 / j.1755-148X.2010.00786.x.
• Компании создают человеческую кожу в лабораториях, чтобы ограничить тестирование продуктов на животных, Боб Вудс, CNBC.
• Купер, Г. «Клеточные стенки и внеклеточный матрикс». В Клетка: молекулярный подход. 2-е издание , 2000, Сандерленд, Массачусетс, Sinauer Associates.
• Халим, А., Кху, Т., и Юссоф, С. «Биологические и синтетические заменители кожи: обзор». Индийский журнал пластической хирургии , 2010, т. 43, стр. S23-S28, DOI: 10.4103 / 0970-0358.70712.
• Шаблон дермальной регенерации Integra.
• Джонс И., Карри Л. и Мартин Р. «Руководство по биологическим заменителям кожи». Британский журнал пластической хирургии , 2002, т. 55, стр. 185-193, DOI: 10.1054 / hips.2002.3800.
• Шульц, Дж., Томпкинс, Р. и Берк, Дж. «Искусственная кожа». Annual Review of Medicine , 2000, vol. 51, стр. 231-244, DOI: 10.1146 / annurev.med.51.1.231.
• «Вторая кожа» наносится на кожу для разглаживания морщин, Айк Светлиц, STAT.
• Томпкинс Р. и Берк Дж. «Прогресс в лечении ожогов и использовании искусственной кожи». Всемирный журнал хирургии , т. 14, вып. 6, стр. 819-824, DOI: 10.1007 / BF01670529.
• Варки М., Динг Дж. И Треджет Э. «Достижения в заменителях кожи — потенциал тканевой инженерии кожи для облегчения антифиброзного заживления». Журнал функциональных биоматериалов , 2015, т. 6. С. 547-563, DOI: 10.3390 / jfb6030547.
• Чжан З. и Мичняк-Кон Б. «Эквиваленты кожи человека, полученные с помощью тканевой инженерии». Фармацевтика , 2012, т. 4, стр. 26-41, DOI: 10.3390 / Pharmaceutics4010026.

Звездных войн вдохновляют исследователей на создание искусственной кожи, которая может ощущаться на ощупь

Ученые из ведущего сингапурского университета говорят, что они создали электронную кожу, которую можно использовать в роботах и ​​протезах, чтобы воссоздать ощущение прикосновения, похожее на человеческое, если не более отзывчивое.

Электронная оболочка, известная как асинхронно-кодированная электронная оболочка, состоит из сети датчиков, соединенных одним электрическим проводником. По словам группы ученых из Национального университета Сингапура, которые потратили полтора года на его разработку, его можно использовать в роботах или протезах, чтобы создать ощущение прикосновения, которое позволяет ощущать боль, температуру, форму и текстуру.

Будьте в курсе

Получайте последние технические новости с ежедневными новостями CNET каждый будний день.

«Когда вы теряете осязание, вы, по сути, немеете … и пользователи протезов сталкиваются с этой проблемой», — сказал Бенджамин Ти, доцент NUS, возглавляющий исследовательскую группу, занимающуюся электронной кожей, в интервью Reuters.

«Таким образом, воссоздав искусственную версию кожи для своих протезов, они могут держать руку, ощущать тепло и чувствовать, что она мягкая, насколько крепко они держат руку».

Люк Скайуокер использовал этот протез после того, как Дарт Вейдер отрезал ему руку в «Империи наносит ответный удар».

Согласно Reuters, Ти вдохновился сценой в эпизоде ​​V Звездных войн: Империя наносит ответный удар, когда Люк Скайуокер теряет правую руку, которая заменяется роботизированной рукой, способной испытывать осязание.

ACES был впервые разработан в 2019 году, но в июле этого года команда NUS продемонстрировала, как он может помочь роботам стать умнее, если они оснащены их электронными датчиками кожи и зрения.Среди преимуществ — возможность роботов читать шрифт Брайля и классифицировать объекты.

Это не первый футуристический скин, созданный Ти и его командой. В марте прошлого года они представили самовосстанавливающуюся эластичную кожу, которая может позволить людям лучше взаимодействовать с роботами.

Инженеры из Стэнфорда создают искусственную кожу, которая может посылать ощущение давления в клетки мозга

Показано в Stanford News, Science News, Time, CBS News, The Washington Post, Popular Mechanics, Gizmodo, The Verge, Engadget, Popular Science, Phys.org, ABC.net.au, Factor-Tech и LaPress.ca

Том Абате

Инженеры Стэнфорда создали пластиковую «кожу», которая может определять, насколько сильно на нее нажимают, и генерировать электрический сигнал, который передает этот сенсорный сигнал непосредственно в живую клетку мозга.

Женан Бао, профессор химической инженерии из Стэнфорда, в течение десяти лет пытался разработать материал, имитирующий способность кожи сгибаться и заживать, а также служащий сенсорной сетью, которая посылает в мозг сигналы касания, температуры и боли.В конечном итоге она хочет создать гибкую электронную ткань со встроенными датчиками, которая могла бы покрывать протез конечности и воспроизводить некоторые сенсорные функции кожи.

Работа Бао, опубликованная сегодня в журнале Science, делает еще один шаг к своей цели, воспроизводя один аспект прикосновения, сенсорный механизм, который позволяет нам различать разницу в давлении между вялым рукопожатием и крепким хватом.

«Впервые гибкий, похожий на кожу материал смог обнаружить давление, а также передать сигнал компоненту нервной системы», — сказал Бао, возглавлявший исследовательскую группу из 17 человек, ответственных за достижение. .

Бенджамин Ти, недавний аспирант по электротехнике; Алекс Чортос, докторант материаловедения и инженерии; и Андре Берндт, докторант в области биоинженерии, были ведущими авторами научной статьи.

Digitizing touch
Сердцем технологии является двухслойная пластиковая конструкция: верхний слой создает чувствительный механизм, а нижний слой действует как цепь для передачи электрических сигналов и преобразования их в биохимические стимулы, совместимые с нервными клетками.На верхнем слое новой работы был датчик, который может определять давление в том же диапазоне, что и человеческая кожа, от легкого касания пальцем до крепкого рукопожатия.

Пять лет назад члены команды Бао впервые описали, как использовать пластмассы и каучуки в качестве датчиков давления, измеряя естественную упругость их молекулярных структур. Затем они увеличили эту естественную чувствительность к давлению, вдавив в тонкий пластик вафельный узор, который еще больше сжимает молекулярные пружины пластика.

Чтобы использовать эту способность электронного измерения давления, команда разбросала миллиарды углеродных нанотрубок через вафельный пластик. Оказание давления на пластик сжимает нанотрубки ближе друг к другу и позволяет им проводить электричество.

Это позволило пластиковому датчику имитировать человеческую кожу, которая передает информацию о давлении в мозг в виде коротких электрических импульсов, подобных азбуке Морзе. Увеличение давления на вафельные нанотрубки сжимает их еще ближе друг к другу, позволяя большему количеству электричества проходить через датчик, и эти различные импульсы отправляются в виде коротких импульсов на чувствительный механизм.Снимите давление, и поток импульсов расслабится, обозначив легкое прикосновение. Уберите все давление, и пульс полностью прекратится.

Затем команда подключила этот датчик давления ко второму слою искусственной кожи, гибкой электронной схеме, которая могла передавать электрические импульсы нервным клеткам.

Импорт сигнала
Команда Бао разрабатывает гибкую электронику, которая может сгибаться, не ломаясь. Для этого проекта члены команды работали с исследователями из PARC, компании Xerox, у которой есть технология, использующая струйный принтер для нанесения гибких схем на пластик.Чтобы сделать искусственную кожу практичной, важно покрыть большую поверхность, и сотрудничество с PARC открыло эту перспективу.

Наконец, команде пришлось доказать, что электронный сигнал может распознаваться биологическим нейроном. Это было сделано путем адаптации техники, разработанной Карлом Дайссеротом, коллегой-профессором биоинженерии из Стэнфорда, который первым открыл область, сочетающую генетику и оптику, под названием оптогенетика. Исследователи биоинженерии создают клетки, чтобы сделать их чувствительными к определенным частотам света, а затем используют световые импульсы для включения и выключения клеток или процессов, происходящих внутри них.

Для этого эксперимента члены команды сконструировали линию нейронов, чтобы имитировать часть нервной системы человека. Они преобразовали электронные сигналы давления от искусственной кожи в световые импульсы, которые активировали нейроны, доказав, что искусственная кожа может генерировать сенсорный сигнал, совместимый с нервными клетками.

Оптогенетика использовалась только как экспериментальное подтверждение концепции, сказал Бао, и другие методы стимуляции нервов, вероятно, будут использоваться в настоящих протезах.Команда Бао уже работала с Бяньсяо Цуй, доцентом химии в Стэнфорде, чтобы показать, что прямая стимуляция нейронов электрическими импульсами возможна.

Команда Бао предполагает разработать различные датчики для воспроизведения, например, способности отличать вельвет от шелка или стакан холодной воды от чашки горячего кофе. На это потребуется время. В руке человека есть шесть типов биологических сенсорных механизмов, и эксперимент, описанный в журнале Science, сообщает об успехе только в одном из них.

Но нынешний двухслойный подход означает, что команда может добавлять сенсации по мере разработки новых механизмов. А процесс изготовления струйной печати предполагает, как сеть датчиков может быть размещена на гибком слое и наложена на протез руки.

«У нас много работы, чтобы перевести это из экспериментального в практическое применение», — сказал Бао. «Но, проведя много лет в этой работе, я теперь вижу четкий путь, по которому мы можем использовать нашу искусственную кожу».

Прочтите аннотацию в Science здесь.

Для просмотра оригинальной статьи щелкните здесь.

Ученые создают искусственную кожу для роботов-андроидов

Йово Марьянович / EyeEm | EyeEm | Getty Images

Роботы могут перехитрить людей, но могут ли они понять, что значит быть людьми?

Ученые продвигают роботов в этом континууме, разрабатывая роботизированную кожу, которая помогает им обрести осязание. Исследователи из Мюнхена, Японии и Бостона в настоящее время изучают, как вызвать у роботов тактильные ощущения и, в некоторых случаях, почувствовать боль.

Стремление к созданию этой технологии является ответом на рост автоматизации. В настоящее время в мире насчитывается около 3 миллионов промышленных роботов. По оценкам Oxford Economics, к 2030 году роботы вытеснят 20 миллионов человек во всем мире. По данным Allied Market Research, совокупный годовой темп роста (CAGR) промышленных роботов к 2023 году составит 9,4%.

Расширение возможностей роботов для более практических применений. Робот-сенсор может различать текстуру поверхности и силу при контакте.Некоторые роботы также могут обнаруживать изменения температуры.

В то время как эти звуковые эзотерические чувства, Элизабет Смела, профессор машиностроения в Университете Мэриленда, указывает на более яркий пример. «Было бы полезно вернуться назад и почувствовать, как кто-то прикасается», — сказала она. Без такой осведомленности рабочий-человек может стать предвзятым против своего коллеги-робота.

Осведомленность — это лишь одна из граней человеческого бытия, которую ученые пытаются привнести в роботов. В то время как некоторые черты характера — например, чувство морали — кажутся запрещенными, другие черты, такие как сострадание и юмор, кажутся справедливой игрой.

Создание скина для роботов

Для некоторых ключом к улучшению роботов является то, чтобы они воспринимали мир как можно больше, как люди. Например, создание кожи для роботов — цель различных исследователей по всему миру. В прошлом году исследователи представили искусственную кожу, разработанную Мюнхенским техническим университетом. Искусственная кожа, состоящая из силиконовых ячеек шестиугольной формы диаметром около 1 дюйма, может обнаруживать контакт, ускорение, близость и температуру.

Кожа — самый большой орган человеческого тела, она полна нервных окончаний, которые позволяют нам мгновенно получать информацию о температуре, давлении и боли.

Джон Яннис Алоимонос, профессор факультета компьютерных наук Университета штата Мэриленд, сказал, что такая искусственная кожа «позволяет роботам гораздо более детально и с большей чувствительностью воспринимать окружающую среду. Это не только помогает им безопасно передвигаться. они более безопасны при работе рядом с людьми и дают им возможность предвидеть и активно избегать несчастных случаев ».

Исследователи говорят, что кожа важна, потому что роботу необходимо различать невысказанное общение между людьми.Освоение таких невербальных коммуникаций стало бы большим скачком для роботов. Его также можно сочетать с другими «роботизированными чувствами», такими как зрение или слух.

[Искусственная кожа] позволяет роботам воспринимать окружающую среду более детально и с большей чувствительностью. Это не только помогает им безопасно передвигаться. Это также делает их более безопасными при работе рядом с людьми и дает им возможность предвидеть и активно избегать несчастных случаев.

Джон Яннис Алоимонос

профессор факультета компьютерных наук Мэрилендского университета

Развитие органов чувств рассматривается как ключ к расширению функциональности роботов.«Мы используем тактильную обратную связь, чтобы получать больше информации о нашем окружении и корректировать наши действия, постоянно получая информацию о том, к чему мы прикасаемся и с чем взаимодействуем», — сказала Даниэла Рус, профессор Массачусетского технологического института, которая является директором Лаборатория компьютерных наук и искусственного интеллекта. Она сказала, что ее цель — «сделать первый шаг к тому, чтобы позволить роботам иметь некоторые из тех же возможностей».

Джон Долан, главный системный ученый в Институте робототехники Карнеги-Меллона, сказал, что разговоры о шоу кожи роботов — это область мягкой робототехники, которая пытается воспроизвести мускулатуру, силу и крутящий момент человеческого тела.Люди считают само собой разумеющимся такое «ощущение силы», то есть способность отличать удар от похлопывания по спине.

Преимущества чувствительной кожи

Роботы с чувствительной кожей имеют ощутимые преимущества. Например, чувствительная кожа может сказать роботу немедленно выключиться, когда он вступает в контакт с человеком. Это полезно, поскольку людям не разрешается находиться в одном пространстве с промышленными роботами.

Но есть также проблемы с обтяжкой роботов с точки зрения стоимости и механики.«Если вы хотите охватить всего робота, то нужно подключить множество частей, и от этого будет поступать много данных», — сказал Смела. Лейф Йентоф, соучредитель RightHand Robotics, добавил, что скин робота очень дорогой, и это будет означать, что создатели, скорее всего, «сосредоточатся на областях, которые необходимы для конкретных задач».

Кожа робота не будет универсальным решением для каждого приложения. или промышленность, особенно когда человек может лучше справиться с задачей с меньшими затратами. Брайан Герки, генеральный директор Open Robotics, сказал, что рабочий на сборочной линии может почувствовать, если кто-то столкнется с ним, а робот — нет если только это не было запрограммировано.

Гордон Ченг разрабатывает искусственную кожу, чтобы обеспечить роботов тактильной обратной связью

Астрид Эккерт | Технический университет Мюнхена

Ученые экспериментировали с использованием живой плоти, чтобы роботы стали больше похожи на людей. В противном случае они склонны использовать искусственные вещества, такие как резина. «Я знаю, что кожа человека или животного — это золотой стандарт для такого рода усилий, и это в основном магия», — сказал Герки. «Насколько мне известно, мы и близко не подошли к этой технологии.

Профессор Джонг-О Пак, заместитель председателя исследовательского комитета Международной федерации робототехники, сказал, что плоть очень сложна, и ее реинжиниринг ускользает от нас прямо сейчас. «Как хорошо известно, живая ткань в основном запрограммирована или сконструирована в ДНК в каждой живой клетке в нанометровом масштабе », — сказал он.

Более мягкие роботы используются в обществе

Создание кожи — это только начало. лет будет расти потребность в роботах, которые внушают чувство человечности.

Соединенные Штаты, население которых в возрасте 65 лет и старше почти удвоится к 2060 году, похоже, движутся по той же траектории, что и другие страны, такие как Германия и Южная Корея, с прогнозируемым сокращением численности населения трудоспособного возраста.