约翰霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的研究人员开发出了一种最小、强度最大、速度最快的制冷设备，即可穿戴薄膜热电冷却器（TFTEC）。他们与神经科学家联手，帮助截肢者用假肢感受温度。

这项开创性的开发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）形式的触觉反馈，以及用于缓解疼痛等情况的热调节疗法。该技术在一系列工业和研究领域也具有潜在价值，例如冷却电子设备和激光器以及卫星能量收集。

APL 的 TFTEC 开发始于 2016 年，当时 APL 的半导体器件工程师兼热电研究首席技术专家 Rama Venkatasubramanian 开始为美国国防部高级研究计划局（DARPA）的 MATRIX 计划开发先进的纳米工程热电材料和器件。为了支持 MATRIX 计划，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)，为国防部的一些应用提供了全新的传导能力，包括冷却计算机芯片和发动机部件。

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到 2019 年底，Venkatasubramanian 在 CHESS 热电技术方面取得了长足进步，APL 探索科学分部主管 Bobby Armiger 想知道他的设备能否用于促进截肢者幻肢的温度感应，以改进假肢。自 2006 年以来，APL 一直在领导 DARPA 的"假肢革命"项目，该项目致力于制造一种精神控制假肢，使上肢截肢患者恢复接近自然的运动和感觉能力。

约翰尼-马特尼（Johnny Matheny）是一名假肢测试员，他使用约翰-霍普金斯大学应用物理实验室开发的模块化假肢和薄膜热电装置来确定哪罐可乐最冰。图片来源：Ed Whitman / 约翰霍普金斯大学应用物理实验室

"我们已经知道，我们可以刺激截肢者肢体的特定部位来感受触觉和振动，但还没有人能够以这样的速度、强度和效率创造出一种冷却感觉，从而通过假肢系统来恢复自然热感，"Armiger 说。"恢复温度感具有实际应用价值--比如辨别冷饮--同时也有可能改善假肢装置的情感体现，比如感受到亲人手掌的温暖。

Venkatasubramanian 和热电团队开始与 Armiger 以及神经科学家和机器人专家团队合作，这是美国卫生科学统一服务大学（USU）物理医学与康复（PM&R）系康复科学研究中心通过亨利-杰克逊军事医学发展基金会（The Henry M. Jackson Foundation for the Advancement of Military Medicine）的子基金支持的一项研究的一部分，目的是制造一种可穿戴热电冷却器，其速度和强度足以与人体快速感知温度变化的能力相匹配。

由此，可穿戴式 TFTEC 应运而生。

Venkatasubramanian 说："我们的 TFTEC 厚度只有一毫米多一点，重量只有 0.05 克，类似于薄薄的绷带，可以在不到一秒钟的时间内提供高强度冷却。它的能效也比当今最常见的热电设备高出两倍，而且可以使用同样用于制造发光二极管（LED）的半导体工具轻松制造。这是一个令人兴奋的发展，可能会对假肢和触觉应用产生巨大影响"。

为了测试 TFTEC 的功效，研究人员在四名截肢者的幻影手上绘制了热感图。

"当一个人失去部分肢体时，残肢内的神经仍然存在，这会导致"幻肢"感觉，"领导 APL 大部分无创神经模拟工作的神经工程研究员卢克-奥斯本（Luke Osborn）说。"可以在截肢者上臂神经重新生长的不同部位放置电极，刺激感觉--通常是压力，但在目前的情况下是温度--然后截肢者可以告诉我们他们在幻肢手的哪个部位感受到了这些感觉"。

《自然-生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）最近发表了 APL 针对此类感觉应用进行的大量 TFTEC 研究成果，其中包括实验室规模的表征、对截肢者的试验以及该方法的实际演示。研究指出，在一项冷检测任务中，TFTEC 在所有参与者的幻肢上都产生了冷却感，而传统的热电技术只在其中一半人身上产生了冷却感，而且 TFTEC 的冷却速度是传统技术的八倍，冷却强度是传统技术的三倍。此外，与目前的热电设备相比，TFTEC 的能耗只有后者的一半。

奥斯本说："我们发现，与传统设备相比，即使目标温度相同，TFTEC 设备在创造更快、更强烈的冷却感觉方面明显更胜一筹。这有助于参与者更快地做出决定和进行观察"。

测试参与者身上的刺激部位在 48 周的测试中保持不变，这表明该技术可以让用户长年感受到缺失的双手的温度。这种时间上的稳定性以及可穿戴的非侵入性程序对于在现实世界中的应用很有吸引力。

Venkatasubramanian说："当我们在 2020 年 3 月开始工作时，我们意识到，只需几次试验，我们就能刺激截肢者的幻肢。"我们听到参与者说，"是的，我立即感到这里冰凉，那里刺痛"。

APL 团队通过对几名截肢者和肢体完好者进行测试，继续完善其方法。Venkatasubramanian 继续说："这些都是我们作为科学家梦寐以求的发展。"我们花了数年时间在实验室里，看到我们的技术对他人的生活质量产生影响，就像截肢者能够感知自然热世界一样，我们感到无比满足。"

与当今的冷却技术相比，该设备只需很小的能量和体积，就能为人类感知产生逼真、翔实的热信号，其低调、高速和轻便的特性使其适用于皮肤表面应用，而不会影响运动。

APL 国家健康任务区生物医学工程师兼项目经理戴维-德鲁里（David Drewry）说："很高兴看到 APL 开发的热电技术通过在一名截肢者身上的首次演示而转化到医疗保健领域。我们期待着在更强大的临床试验中扩大成果，并将该设备集成到其他可穿戴设备中，以便随时部署到需要感官恢复或触觉反馈的个人身上。"

凯蒂-卡尼尔（Katy Carneal）是一名生物医学工程师和项目助理经理，她在APL领导与健康相关的创新研究。他说："压力和温度感觉对人体的影响是多方面的。"除了提高截肢者的生活质量，我们还打开了一扇研究之门，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。"

美国南加州大学 PM&R 院长 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："能与如此专业的工程师合作，提出解决方案来帮助现实世界中的病人，包括我们失去肢体的伤员，这是我们的荣幸。"

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汇点，APL 在推动新型健康应用的可能艺术方面具有独一无二的资格。除了"假肢革命"计划，APL 还在神经接口研究、改进基因组学工具、监测身体疲劳以防止战斗人员受伤等国家健康任务领域取得了重大进展。

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