目前的假肢還不能將復雜的感覺如手感或疼痛傳遞給使用者，但是，約翰·霍普金斯醫學院的科學家們最近取得了突破性進展，人造手上的一層合成皮膚直接向使用者傳遞疼痛感，這讓我們離目標又近了一步。

　　疼痛很糟糕，但是如果沒有這種極其寶貴的感覺，我們就會迷失方向。

　　"疼痛能讓我們感覺到某些東西可能是有害的，比如鋒利的刀刃，從而保護我們的身體不受傷害。"這項新型研究的共同作者，約翰霍普金斯大學生物醫學工程系研究生Luke Osborn告訴Gizmodo。"對假肢而言，沒有任何疼痛的概念，這就有可能造成損傷，我們找到了一種方法，可以給假肢和截肢患者提供有意義的疼痛感。"

　　與JHU神經工程師Nitish Thakor一起工作時，Osborn和他的同事開發了一種稱為e-dermis的系統 - 一種類似皮膚的層，使假肢能夠感知觸覺和疼痛。施加在e-dermis的壓力通過植入假體上方手臂中的電神經刺激器傳遞至使用者的大腦，從而讓系統模擬真實的感覺。在e-dermis系統的測試中，一名截肢志愿者表示，他可以分辨出圓形或尖銳物體之間的差異，并說再嚴重程度上疼痛的感覺是十分之三。這項研究今天發表在《科學機器人》雜志上。

　　使用假肢的人可以使用這些疼痛信號來避免損傷他們的假肢，就像他們使用疼痛警告來避免傷害身體的其他部位一樣。尖銳的物體和熱量可能會破壞人造手的指尖或造成其美觀或皮膚狀覆蓋物的損壞。對假肢的嚴重損害可不是鬧著玩的，因為一些較昂貴的設備可能要花費超過70,000美元或更多。更重要的是，能夠感知周圍環境的假肢增加了它的實用性。

　　顯然，疼痛是不愉快的，我們應該努力減少人們經常接觸到的疼痛量。正如新研究的作者所承認的那樣，理想的假體將"允許使用者保持完全的控制"，并在需要時選擇"關閉疼痛反應"。例如，用戶應該能夠關閉疼痛功能，當肢體感覺有什么東西在造成傷害時，內置的疼痛反射會自動進入。這是最終的目標，但與此同時，JHU的研究人員正在尋求創造更加逼真的假肢，能夠提供豐富多樣的觸覺信息，包括疼痛。

　　如上所述，現代假體不提供有意義的觸覺反饋或知覺，因此使用者不能分辨物體是粗糙的，光滑的，尖銳的，冷的還是熱的。為了克服這些缺陷，JHU的研究人員通過模仿疼痛在自然皮膚上的作用方式建立了他們的e-dermis設備。具體來說，他們模擬了皮膚內稱為傷害感受器的神經細胞處理疼痛的方式，并通過機械感受器將產生的信號傳遞給大腦進行加工(更重要的是，當我們在受傷處感到疼痛時，真正的疼痛感是由大腦產生的)。

　　我們通過皮膚的感受器感到疼痛，"Osborne說。"我們有所謂的機械感受器，它能把我們接觸到的任何東西的信息發送到我們的大腦，這就是為什么我們可以感受到壓力或質地的原因，另一方面，當我們接觸到尖銳的東西或有傷口時，能傳達疼痛的感覺。我們建立了一個多層電子真皮或e-dermis，試圖模仿這些不同受體的行為。"

　　e-dermis系統圖

　　為了使其發揮作用，研究人員創建了一個神經形態系統 - 一種模擬神經系統電路行為的裝置。在這種情況下，它們的神經形態模型將e-dermis的輸出(即觸摸一個物體時產生的觸覺信息)轉換成電脈沖或神經信號，從而復制了機械感受器和痛覺感受器的行為。然后用這些尖峰電刺激截肢志愿者的周圍神經(即經皮神經刺激，或TNS)。當提供這種神經刺激時，志愿者能夠在他的假手中感受到感覺。

　　在實驗中，一個被截肢的志愿者可能會感受到壓力，指尖的敲擊，甚至是引起疼痛感覺的物體。他可以分辨出非痛苦和痛苦的觸覺感知之間的區別，包括物體的曲率變化和尖銳的邊緣。這位志愿者說，這些感覺就像是直接來自所謂的"幻手"在實驗過程中進行的腦電圖掃描似乎表明，參與者的大腦中與手有關的區域被激活。

　　JHU研究人員記錄了哪些刺激令使用者感到疼痛，哪些感覺更像正常的觸摸。要求志愿者使用從-1到10的等級評定幻手感知感覺的不適，其中-1是令人愉快或愉快的，1是非常輕微的疼痛，像是癢，2是令人不舒服的感覺掐，3是不舒服，但可以忍受，就像意外切割，等等，在這個實驗中，最高水平的疼痛被評為3。

　　志愿者執行感知任務

　　"這項工作最令人驚訝的方面之一是能夠識別不同的刺激模式，在截肢志愿者的幻手中產生不同的感覺，"Osborn說。在這種情況下，這些感覺是壓力或疼痛。"

　　為了使系統更加逼真，研究人員還為系統添加了自動疼痛反射。研究人員在研究報告中寫道，當義肢觸及鋒利的物體時，手指會自動抽搐，以"防止損傷和進一步的疼痛"。重要的是，志愿者無法控制這些反射動作。

　　斯坦福大學的博士后研究員Sharlene Flesher博士沒有參與這項新研究，他說這項新研究是"一項非常完整的工作"，而且"他們呈現的進展是穩固的。"也就是說，她覺得腦電圖結果是"愚蠢的"。

　　"他們聲稱這證明了參與者能感覺到左手的感覺，但是腦電圖并沒有提供空間上的準確性。"Flesher告訴Gizmodo。"結果一致認為，這些感覺是在身體左側的某個部位，可能在手臂的某個地方，我不認為從腦電圖報告中可以看出是在手上。我希望看到他們如何繪制這些感覺的細節，但他們似乎在尋找刺激點方面做得很好，這些刺激點能喚起幻手的感覺。"

　　至于制造讓用戶感到疼痛的假肢，Flesher同意觸發全面疼痛不應該成為目標。

　　"疼痛是否應該被傳遞是很有趣的，他們在這里也有這種感覺。"如果假肢能夠識別"痛苦"的情況并將其最小化，那么是否真的需要將不適傳遞給用戶?我認為，如果他們將疼痛感控制在一個信息范圍內，在這個范圍內，疼痛感不會引起太大的疼痛，反而會分散人們的注意力，那么疼痛感是很有用的。"她說。"但是，它們也會引起不同的感覺，比如壓力和刺痛感，所以一種合理的無痛選擇是讓刺痛感暗示著疼痛，也就是說，如果它們能引起疼痛，壓力和刺痛，那么使用這三者可以傳達更多信息。"

　　這是一項非常有前途的工作，但觸摸還有許多其他方面。展望未來，JHU研究人員希望探索其他可以通過感覺反饋提供的感知，包括溫度和本體感覺(比如知道我們身體部位的相對位置，比如手臂高于頭部)。

　　Osborn說："通過增加不同的感覺，我們可以繼續改善上肢假肢，使其更加實用和逼真。"