研究人员已经开发出薄膜热电冷却器(TFTEC)，这是世界上最小和最快的制冷设备之一，用于改进假肢和增强现实等应用。与神经科学家合作，截肢者可以通过幻肢感知温度，这是同类技术中首次出现的进步，对假肢、触觉和其他应用(如冷却电子设备和卫星能量收集)都有影响。(艺术家的概念)

　　约翰霍普金斯应用物理实验室(APL)的研究人员开发了一种最小、最强烈、最快的制冷设备，称为可穿戴薄膜热电冷却器(TFTEC)。他们与神经科学家合作，帮助截肢者用他们的幻肢感知温度。

　　这一开创性的发展开辟了一系列有益的新功能，包括增强型假肢，新型增强现实(AR)格式的触觉反馈，以及用于缓解疼痛等用例的热调节疗法。这项技术在一系列工业和研究环境中也有潜在的价值，比如冷却电子设备和激光，以及卫星的能量收集。

　　APL的TFTEC开发始于2016年，当时半导体设备工程师兼APL热电研究首席技术专家Rama Venkatasubramanian开始为美国国防高级研究计划局(DARPA)的MATRIX项目开发先进的纳米工程热电材料和设备。为了支持MATRIX, APL开发了先进的薄膜热电材料，称为受控分层工程超晶格结构(CHESS)，为国防部的几个应用提供了一套全新的转导能力，包括冷却计算机芯片和发动机部件。

　　到2019年底，Venkatasubramanian在CHESS热电方面的进展非常显著，以至于APL探索科学部门的主管Bobby Armiger想知道他的设备是否可以用来促进截肢者幻肢的温度感觉，以改进假肢。自2006年以来，APL一直领导着DARPA的革命性假肢项目，该项目致力于创造一种精神控制的假肢，使上肢截肢患者恢复近乎自然的运动和感觉能力。

　　约翰·霍普金斯应用物理实验室研发的模块化假肢和薄膜热电装置，让假肢测试员约翰尼·马西尼(Johnny Matheny)判断哪个可乐罐是最冷的。图片来源:Ed Whitman /约翰霍普金斯大学应用物理实验室

　　阿米格说:“我们已经知道，我们可以刺激某人截肢的特定部位来感受触摸和振动的感觉，但没有人能够创造出一种冷却的感觉，其速度、强度和效率都能让假肢系统恢复自然的热感。”“恢复温度感知具有实际应用价值，比如识别冷饮，同时也有可能改善假肢装置的情感体现，比如感受爱人的手的温暖。”

　　Venkatasubramanian和热电团队开始与Armiger以及一组神经科学家和机器人专家合作，作为健康科学统一服务大学物理医学与康复系(PM&R)康复科学研究中心支持的一项研究的一部分，通过亨利·m·杰克逊军事医学进步基金会的分奖，创造了一种可穿戴的热电冷却器，速度快，强度大，足以匹配人体快速感知温度变化的能力。

　　由此，可穿戴式TFTEC诞生了。

　　Venkatasubramanian说:“我们的TFTEC厚度只有一毫米多一点，重量只有0.05克，类似于薄的胶布绷带，可以在不到一秒的时间内提供强烈的冷却。”“它的能源效率也是当今最常见的热电器件的两倍，并且可以很容易地使用半导体工具制造，这种工具也用于制造发光二极管(led)。这是一个令人兴奋的发展，可能对假肢和触觉应用产生巨大影响。”

　　为了测试TFTEC的功效，研究人员绘制了四名截肢者幻手的热感觉图。

　　“当某人失去部分肢体时，残肢内的神经仍然存在，这可能导致'幻肢'感觉，”神经工程研究员卢克·奥斯本(Luke Osborn)说，他领导了APL的大部分非侵入性神经模拟工作。“你可以把电极放在截肢者上臂神经再生的不同部位，刺激感觉——通常是压力，但在目前的情况下，是温度——然后这个人就能告诉我们，他们在幻手的哪个部位感受到了这些感觉。”

　　《自然生物医学工程》最近发表了APL对这种感官应用的广泛的TFTEC研究结果，其中包括实验室规模的表征，截肢者的试验，以及该方法的现实演示。该研究指出，在冷检测任务中，TFTEC在所有参与者的幻肢中引起了冷却的感觉，而传统的热电技术只在一半的参与者中引起了这种感觉，而且TFTEC的速度是前者的8倍，强度是后者的3倍。此外，与目前的热电装置相比，TFTEC使用了一半的能量。

　　奥斯本说:“我们发现，即使目标温度相同，与传统设备相比，TFTEC设备在创造更快、更强烈的冷却感觉方面明显更好。”“这有助于参与者更快地做出决定和观察。”

　　在48周的测试中，测试参与者的刺激部位保持不变，这表明这项技术可以让用户在数年内感受到他们失去的手的温度。这种时间稳定性以及可穿戴的非侵入性手术对现实世界的应用具有吸引力。

　　Venkatasubramanian说:“当我们在2020年3月开始我们的工作时，我们意识到在几次试验中，我们可以刺激截肢者的幻肢。”“我们听到参与者说，‘是的，我立刻感到这里很冷，那里有点刺痛。’”

　　APL团队通过对几名截肢患者和肢体完好的患者进行测试，继续完善其方法。Venkatasubramanian继续说道:“这些都是我们作为科学家所梦想的发展。”“我们在实验室里花了数年时间，看到我们的技术对人们的生活质量产生了影响，就像截肢者感知自然热世界一样，令人非常满意。”

　　这种设备能够产生真实的、信息丰富的热信号，以供人类感知——与当今的冷却技术相比，其能量和尺寸只是一小部分——低姿态、高速度和轻量化的特性使它们适合于皮肤表面应用，而不会影响运动。

　　APL国家卫生任务区的生物医学工程师和项目经理David Drewry说:“通过在截肢者身上的首次演示，看到APL开发的热电技术进入医疗保健领域，真是太棒了。”“我们期待在更强大的临床试验中扩大结果，并将该设备集成到其他可穿戴形式的因素中，可以很容易地部署到需要感官恢复或触觉反馈的个人。”

　　Katy Carneal是一名生物医学工程师和助理项目经理，她在APL领导创新的健康相关研究，她看到了小型化热电技术的大量未来应用。“压力和温度的感觉影响人体的方式有很多，”卡尼尔说。“除了提高截肢者的生活质量外，我们还打开了许多研究之门，可以帮助我们研究和找到神经肌肉疾病或慢性疼痛的新疗法。”

　　USU PM&R主席Paul Pasquina博士在赞扬APL团队工作的同时也表达了同样的热情。他说:“与这些专业工程师合作，提出解决方案来帮助现实世界的病人，包括我们受伤的肢体丧失的战士，这是一种荣幸。”

　　通过探索材料科学和电子设备工程与生物学和神经科学的交叉，APL具有独特的资格来推进新型健康应用的可能艺术。除了革命性的假肢项目，APL在神经接口研究、改进基因组工具、监测身体疲劳以防止作战人员受伤等方面也取得了重大进展。

　　参考文献:“利用具有高冷却功率密度和速度的薄膜热电装置激发自然热感知”，作者:Luke E. Osborn, Rama Venkatasubramanian, Meiyong Himmtann, Courtney W. Moran, Jonathan M. Pierce, Priya Gajendiran, Jared M. Wormley, Richard J. Ung, Harrison H. Nguyen, Adam C. G. Crego, Matthew S. ffer和Robert S. Armiger, 2023年7月27日，Nature Biomedical Engineering。DOI: 10.1038 / s41551 - 023 - 01070 - w