Résumé: Les chercheurs ont créé un dispositif thermoélectrique révolutionnaire, minuscule et efficace, qui peut aider les amputés à ressentir la température avec leurs membres fantômes.
Connu sous le nom de refroidisseur thermoélectrique à couche mince portable (TFTEC), cet appareil est léger, incroyablement rapide et économe en énergie, révolutionnant potentiellement les applications telles que les prothèses, les haptiques de réalité augmentée et les thérapies à modulation thermique. De plus, cette technologie a du potentiel dans des industries telles que le refroidissement électronique et la récupération d’énergie dans les satellites.
L’étude menée pour tester le TFTEC a démontré sa capacité à provoquer des sensations de refroidissement dans les membres fantômes, le faisant beaucoup plus rapidement, avec plus d’intensité et moins d’énergie que la technologie thermoélectrique traditionnelle.
Faits marquants:
- Les chercheurs de l’APL ont développé le TFTEC portable, l’un des appareils de réfrigération les plus petits et les plus efficaces au monde, pour aider les amputés à percevoir la température avec leurs membres fantômes.
- Le TFTEC, testé sur des amputés, a suscité des sensations de refroidissement plus rapidement, avec plus d’intensité et moins d’énergie que la technologie thermoélectrique traditionnelle.
- Au-delà des applications médicales, la technologie TFTEC pourrait être utilisée dans le refroidissement de l’électronique et des lasers, ainsi que dans la récupération d’énergie dans les satellites.
Source: Université John Hopkins
Les chercheurs du Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) ont développé l’un des dispositifs de réfrigération les plus petits, les plus intenses et les plus rapides au monde, le refroidisseur thermoélectrique à couche mince portable (TFTEC), et se sont associés à des neuroscientifiques pour aider les amputés à percevoir une sensation de température avec leur fantôme membres.
Cette avancée, l’une des premières du genre, permet une nouvelle capacité utile pour une variété d’applications, y compris des prothèses améliorées, des haptiques pour de nouvelles modalités de réalité augmentée (AR) et des thérapies à modulation thermique pour des applications telles que la gestion de la douleur.
La technologie a également une variété d’applications industrielles et de recherche potentielles, telles que le refroidissement de l’électronique et des lasers et la récupération d’énergie dans les satellites.
Le développement de TFTEC chez APL a commencé en 2016, lorsque Rama Venkatasubramanian, ingénieur en dispositifs semi-conducteurs et technologue en chef pour la recherche thermoélectrique d’APL, a commencé à développer des matériaux et des dispositifs thermoélectriques nano-technologiques avancés pour le programme MATRIX de la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).
Pour prendre en charge MATRIX, APL a développé des matériaux thermoélectriques avancés à couches minces appelés structures de super-réseaux à ingénierie hiérarchique contrôlée (CHESS), afin de permettre un tout nouvel ensemble de capacités de transduction pour plusieurs applications du ministère de la Défense, y compris le refroidissement des puces informatiques et des composants de moteur.
Les progrès de Venkatasubramanian dans la thermoélectricité CHESS étaient si importants à la fin de 2019 que Bobby Armiger, qui supervise la branche des sciences exploratoires de l’APL, s’est demandé si ses appareils pouvaient être utilisés pour faciliter la sensation de température dans les membres fantômes des amputés pour des prothèses améliorées.
Depuis 2006, APL dirigeait le programme Revolutionizing Prosthetics de la DARPA, un effort axé sur la création d’un membre artificiel contrôlé mentalement qui restaurera les capacités motrices et sensorielles quasi naturelles des patients amputés des membres supérieurs.
“Nous savons que nous pouvons stimuler des parties spécifiques du membre amputé d’une personne pour ressentir des sensations de toucher et de vibration, mais personne n’a été capable de créer une sensation de refroidissement avec la vitesse, l’intensité et l’efficacité nécessaires pour restaurer la perception thermique naturelle avec une prothèse. système », a déclaré Armiger.
“La restauration de la sensation de température a des applications pratiques – comme l’identification d’une boisson froide – ainsi que le potentiel d’améliorer l’incarnation émotionnelle de la prothèse, peut-être en sentant la chaleur de la main d’un être cher.”
Venkatasubramanian et l’équipe thermoélectrique ont commencé à collaborer avec Armiger et une équipe de neuroscientifiques et de roboticiens dans le cadre d’une étude soutenue par le Centre de recherche en sciences de la réadaptation au sein du Département de médecine physique et de réadaptation (PM&R) de l’Uniformed Services University of the Health Sciences ( USU), grâce à une sous-subvention de la Fondation Henry M. Jackson pour l’avancement de la médecine militaire, pour créer une glacière thermoélectrique portable suffisamment rapide et intense pour correspondre à la capacité du corps humain à détecter rapidement les changements de température.
À partir de là, le TFTEC portable a été créé.
“Notre TFTEC a une épaisseur d’un peu plus d’un millimètre, ne pèse que 0,05 gramme, semblable à un mince pansement adhésif, et peut fournir un refroidissement intense en moins d’une seconde”, a déclaré Venkatasubramanian.
“Il est également deux fois plus économe en énergie que les dispositifs thermoélectriques les plus courants d’aujourd’hui et peut être facilement fabriqué à l’aide d’outils à semi-conducteurs qui sont également utilisés pour la fabrication de diodes électroluminescentes. [LEDs]. C’est un développement passionnant qui pourrait avoir d’énormes implications pour les prothèses et les applications haptiques.
Pour tester l’efficacité du TFTEC, les chercheurs ont cartographié les sensations thermiques dans les mains fantômes de quatre personnes amputées.
“Quand quelqu’un perd une partie d’un membre, les nerfs du membre résiduel sont toujours là, ce qui peut conduire à la sensation de membre” fantôme “”, a déclaré Luke Osborn, chercheur en neuro-ingénierie qui dirige une grande partie du travail de simulation nerveuse non invasive d’APL.
“Vous pouvez placer des électrodes sur différentes parties du bras d’un amputé où ces nerfs ont repoussé et stimulent la sensation – généralement la pression, mais dans le cas actuel, la température – et l’individu peut nous dire où dans sa main fantôme il ressent ces sensations.”
Nature Génie biomédical a récemment publié les résultats des recherches approfondies d’APL sur le TFTEC pour de telles applications sensorielles, qui comprenaient une caractérisation à l’échelle du laboratoire, des essais avec des amputés et une démonstration réelle de l’approche.
L’étude note que le TFTEC a provoqué des sensations de refroidissement dans les membres fantômes de tous les participants lors d’une tâche de détection du froid, alors que la technologie thermoélectrique traditionnelle ne l’a fait que chez la moitié d’entre eux – et le TFTEC l’a fait huit fois plus vite et avec trois fois l’intensité. De plus, TFTEC a utilisé la moitié de l’énergie par rapport aux appareils thermoélectriques actuels.
“Nous avons constaté que l’appareil TFTEC était nettement meilleur pour créer des sensations de refroidissement plus rapides et plus intenses par rapport aux appareils traditionnels, même si la température cible était la même”, a déclaré Osborn. “Et cela a aidé les participants à prendre des décisions et des observations plus rapides.”
Les sites de stimulation des participants au test sont restés les mêmes pendant 48 semaines de test, ce qui suggère que la technologie pourrait permettre aux utilisateurs de ressentir la température dans leurs mains manquantes pendant des années. Cette stabilité temporelle ainsi qu’une procédure portable non invasive sont attrayantes pour une adoption dans le monde réel.
“Lorsque nous avons commencé notre travail en mars 2020, nous avons réalisé qu’en quelques essais seulement, nous pouvions stimuler les membres fantômes d’un amputé”, a déclaré Venkatasubramanian. “Nous avons entendu des participants dire : ‘Oui, j’ai immédiatement ressenti une sensation de froid ici et un picotement là.'”
L’équipe APL a continué à perfectionner son approche en testant plusieurs personnes amputées ainsi que celles ayant un membre intact.
“Ce sont les développements dont nous rêvons en tant que scientifiques”, a poursuivi Venkatasubramanian.
“Nous passons des années en laboratoire, et voir notre technologie avoir un impact sur la qualité de vie de quelqu’un, comme un amputé pour percevoir le monde thermique naturel, est incroyablement satisfaisant.”
Capables de générer des signaux thermiques réalistes et informatifs pour la perception humaine – à une fraction de l’énergie et de la taille par rapport aux technologies de refroidissement actuelles – la nature discrète, rapide et légère des appareils les rend adaptés aux applications de surface de la peau sans obstacles qui pourrait affecter le mouvement.
“C’était formidable de voir la traduction de cette technologie thermoélectrique développée par APL dans le domaine de la santé grâce à cette première démonstration du genre chez un amputé”, a déclaré David Drewry, ingénieur biomédical et responsable de programme au sein de la zone de mission nationale de santé d’APL.
“Nous sommes impatients d’élargir les résultats dans des essais cliniques plus robustes et d’intégrer l’appareil dans d’autres facteurs de forme portables qui peuvent être facilement déployés pour les personnes ayant besoin d’une restauration sensorielle ou d’un retour haptique.”
Katy Carneal, ingénieure biomédicale et directrice adjointe du programme, ingénieure biomédicale et directrice adjointe du programme qui dirige la recherche innovante liée à la santé à l’APL, voit un vaste ensemble d’applications futures pour la technologie thermoélectrique miniaturisée.
“Il y a tellement de façons dont les sensations de pression et de température affectent le corps humain”, a déclaré Carneal.
“En plus d’améliorer la qualité de vie des amputés, nous avons ouvert de nombreuses portes à la recherche qui peuvent nous aider à étudier et à trouver de nouveaux traitements pour les maladies neuromusculaires ou la douleur chronique.”
Le Dr Paul Pasquina, président du PM&R à l’USU, a fait écho à cet enthousiasme tout en louant le travail de l’équipe APL. “Quel privilège de travailler avec des ingénieurs aussi experts pour trouver des solutions pour aider les patients du monde réel, y compris nos guerriers blessés avec une perte de membre”, a-t-il déclaré.
APL est particulièrement qualifié pour faire progresser l’art du possible pour de nouvelles applications de santé en explorant cette intersection de la science des matériaux et de l’ingénierie des appareils électroniques avec la biologie et les neurosciences.
En plus du programme Revolutionizing Prosthetics, APL fait des progrès significatifs dans la recherche sur les interfaces neurales, améliore les outils génomiques et surveille la fatigue physique pour prévenir les blessures des combattants parmi de nombreuses autres avancées dans la zone de mission de santé nationale.
À propos de cette actualité de la recherche neurotechnologique
Auteur: Paulette Campbell
Source: Université John Hopkins
Contact: Paulette Campbell – Université Johns Hopkins
Image: L’image est créditée à Neuroscience News
Recherche originale : Accès fermé.
“Évocation de perceptions thermiques naturelles à l’aide d’un dispositif thermoélectrique à couche mince avec une densité et une vitesse de puissance de refroidissement élevées» par Rama Venkatasubramanian et al. Nature Génie biomédical
Abstrait
Évocation de perceptions thermiques naturelles à l’aide d’un dispositif thermoélectrique à couche mince avec une densité et une vitesse de puissance de refroidissement élevées
La rétroaction sensorielle multimodale des prothèses des membres supérieurs peut augmenter leur fonction et leur facilité d’utilisation.
Ici, nous montrons que les perceptions thermiques intuitives lors de la saisie d’objets froids avec une prothèse peuvent être restaurées dans une main fantôme grâce à une stimulation nerveuse ciblée via un dispositif thermoélectrique à couche mince portable avec une densité et une vitesse de puissance de refroidissement élevées.
Nous avons constaté que des régions spécifiques du membre résiduel, lorsqu’elles étaient stimulées thermiquement, provoquaient des sensations thermiques dans la main fantôme qui restaient stables au-delà de 48 semaines. Nous avons également trouvé des sites de stimulation qui suscitaient sélectivement des sensations de température, de toucher ou les deux, selon que la stimulation était thermique ou mécanique.
Dans les tâches fonctionnelles en boucle fermée impliquant l’identification d’objets froids par des amputés et par des participants non amputés, et par rapport aux dispositifs thermoélectriques en vrac traditionnels, le dispositif portable à couche mince a suscité de manière fiable des sensations de refroidissement qui étaient jusqu’à 8 fois plus rapides et jusqu’à 3 fois plus rapides. fois plus intense en utilisant la moitié de l’énergie et 1/600e la masse de matière thermoélectrique active.
Les dispositifs thermoélectriques à couche mince portables peuvent permettre la restauration non invasive des perceptions thermiques au toucher.
2023-07-27 22:43:30
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