約翰霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）的研究人員開發出了一種最小、強度最大、速度最快的製冷設備，即可穿戴薄膜熱電冷卻器（TFTEC）。他們與神經科學家聯手，幫助截肢者用假肢感受溫度。

這項開創性的開發開闢了一系列有益的新功能，包括增強型假肢、新型增強現實（AR）形式的觸覺反饋，以及用於緩解疼痛等情況的熱調節療法。該技術在一系列工業和研究領域也具有潛在價值，例如冷卻電子設備和激光器以及衛星能量收集。

APL 的TFTEC 開發始於2016 年，當時APL 的半導體器件工程師兼熱電研究首席技術專家Rama Venkatasubramanian 開始為美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的MATRIX 計劃開發先進的納米工程熱電材料和器件。為了支持MATRIX 計劃，APL 開發了先進的薄膜熱電材料，稱為受控分層工程超晶格結構(CHESS)，為國防部的一些應用提供了全新的傳導能力，包括冷卻計算機芯片和發動機部件。

到2019 年底，Venkatasubramanian 在CHESS 熱電技術方面取得了長足進步，APL 探索科學分部主管Bobby Armiger 想知道他的設備能否用於促進截肢者幻肢的溫度感應，以改進假肢。自2006 年以來，APL 一直在領導DARPA 的”假肢革命”項目，該項目致力於製造一種精神控制假肢，使上肢截肢患者恢復接近自然的運動和感覺能力。

約翰尼-馬特尼（Johnny Matheny）是一名假肢測試員，他使用約翰-霍普金斯大學應用物理實驗室開發的模塊化假肢和薄膜熱電裝置來確定哪罐可樂最冰。圖片來源：Ed Whitman / 約翰霍普金斯大學應用物理實驗室

“我們已經知道，我們可以刺激截肢者肢體的特定部位來感受觸覺和振動，但還沒有人能夠以這樣的速度、強度和效率創造出一種冷卻感覺，從而通過假肢系統來恢復自然熱感，”Armiger 說。”恢復溫度感具有實際應用價值–比如辨別冷飲–同時也有可能改善假肢裝置的情感體現，比如感受到親人手掌的溫暖。

Venkatasubramanian 和熱電團隊開始與Armiger 以及神經科學家和機器人專家團隊合作，這是美國衛生科學統一服務大學（USU）物理醫學與康復（PM&R）系康復科學研究中心通過亨利-傑克遜軍事醫學發展基金會（The Henry M. Jackson Foundation for the Advancement of Military Medicine）的子基金支持的一項研究的一部分，目的是製造一種可穿戴熱電冷卻器，其速度和強度足以與人體快速感知溫度變化的能力相匹配。

由此，可穿戴式TFTEC 應運而生。

Venkatasubramanian 說：”我們的TFTEC 厚度只有一毫米多一點，重量只有0.05 克，類似於薄薄的繃帶，可以在不到一秒鐘的時間內提供高強度冷卻。它的能效也比當今最常見的熱電設備高出兩倍，而且可以使用同樣用於製造發光二極管（LED）的半導體工具輕鬆製造。這是一個令人興奮的發展，可能會對假肢和触覺應用產生巨大影響”。

為了測試TFTEC 的功效，研究人員在四名截肢者的幻影手上繪製了熱感圖。

“當一個人失去部分肢體時，殘肢內的神經仍然存在，這會導致’幻肢’感覺，”領導APL 大部分無創神經模擬工作的神經工程研究員盧克-奧斯本（Luke Osborn）說。”可以在截肢者上臂神經重新生長的不同部位放置電極，刺激感覺–通常是壓力，但在目前的情況下是溫度–然後截肢者可以告訴我們他們在幻肢手的哪個部位感受到了這些感覺”。

《自然-生物醫學工程》（Nature Biomedical Engineering）最近發表了APL 針對此類感覺應用進行的大量TFTEC 研究成果，其中包括實驗室規模的表徵、對截肢者的試驗以及該方法的實際演示。研究指出，在一項冷檢測任務中，TFTEC 在所有參與者的幻肢上都產生了冷卻感，而傳統的熱電技術只在其中一半人身上產生了冷卻感，而且TFTEC 的冷卻速度是傳統技術的八倍，冷卻強度是傳統技術的三倍。此外，與目前的熱電設備相比，TFTEC 的能耗只有後者的一半。

奧斯本說：”我們發現，與傳統設備相比，即使目標溫度相同，TFTEC 設備在創造更快、更強烈的冷卻感覺方面明顯更勝一籌。這有助於參與者更快地做出決定和進行觀察”。

測試參與者身上的刺激部位在48 週的測試中保持不變，這表明該技術可以讓用戶長年感受到缺失的雙手的溫度。這種時間上的穩定性以及可穿戴的非侵入性程序對於在現實世界中的應用很有吸引力。

Venkatasubramanian說：”當我們在2020 年3 月開始工作時，我們意識到，只需幾次試驗，我們就能刺激截肢者的幻肢。”我們聽到參與者說，’是的，我立即感到這裡冰涼，那裡刺痛’。

APL 團隊通過對幾名截肢者和肢體完好者進行測試，繼續完善其方法。Venkatasubramanian 繼續說：”這些都是我們作為科學家夢寐以求的發展。”我們花了數年時間在實驗室裡，看到我們的技術對他人的生活質量產生影響，就像截肢者能夠感知自然熱世界一樣，我們感到無比滿足。”

與當今的冷卻技術相比，該設備只需很小的能量和體積，就能為人類感知產生逼真、翔實的熱信號，其低調、高速和輕便的特性使其適用於皮膚表面應用，而不會影響運動。

APL 國家健康任務區生物醫學工程師兼項目經理戴維-德魯裡（David Drewry）說：”很高興看到APL 開發的熱電技術通過在一名截肢者身上的首次演示而轉化到醫療保健領域。我們期待著在更強大的臨床試驗中擴大成果，並將該設備集成到其他可穿戴設備中，以便隨時部署到需要感官恢復或觸覺反饋的個人身上。”

凱蒂-卡尼爾（Katy Carneal）是一名生物醫學工程師和項目助理經理，她在APL領導與健康相關的創新研究。他說：”壓力和溫度感覺對人體的影響是多方面的。”除了提高截肢者的生活質量，我們還打開了一扇研究之門，可以幫助我們研究和找到神經肌肉疾病或慢性疼痛的新療法。”

美國南加州大學PM&R 院長Paul Pasquina 博士在讚揚APL 團隊工作的同時，也表達了同樣的熱情。他說：”能與如此專業的工程師合作，提出解決方案來幫助現實世界中的病人，包括我們失去肢體的傷員，這是我們的榮幸。”

通過探索材料科學和電子設備工程與生物學和神經科學的交匯點，APL 在推動新型健康應用的可能藝術方面具有獨一無二的資格。除了”假肢革命”計劃，APL 還在神經接口研究、改進基因組學工具、監測身體疲勞以防止戰鬥人員受傷等國家健康任務領域取得了重大進展。