美国约翰·霍普金斯应用物理实验室（APL）的研究人员已成功开发出一种体积最小、能量最集中、速度最快的制冷设备，名为可穿戴式薄膜热电制冷器（TFTEC）。他们与神经科学家合作，以帮助截肢者通过幻肢感受温度。

这一开创性的技术突破开辟了一系列有益的新功能，包括改进的假肢、创新的增强现实（AR）触觉反馈形式，以及疼痛缓解等热控疗法。这项技术在工业和研究领域也具有潜在的价值，例如电子设备和激光器的冷却，以及卫星能量收集。

APL的TFTEC开发始于2016年，当时该实验室的热电研究首席技术专家、半导体器件工程师Rama Venkatasubramanian开始开发高级纳米工程热电材料和器件，用于国防高级研究计划局（DARPA）的MATRIX计划。为了支持该计划，APL开发了先进的薄膜热电材料，称为控制层次结构工程化超晶格（CHESS），为包括电脑芯片和发动机部件冷却在内的几个国防部应用提供了全新的转换能力。

Venkatasubramanian在CHESS热电技术方面的突破在2019年底取得了如此重大进展，以至于负责APL探索科学分部的Bobby Armiger开始想象他的设备是否可以用于改善假肢以促进截肢者幻肢对温度的感知。自2006年以来，APL一直领导着DARPA的革命性假肢计划，致力于创建一种由思维控制的人工肢体，以恢复上肢截肢患者接近自然的运动和感知能力。

我们已经知道我们可以刺激截肢者的特定部位感受到触觉和振动的感觉，但是没有人能够以速度、强度和效率创建出足够快速、强烈和高效的制冷感觉，以恢复义肢系统对温度的自然感知。恢复温度感觉具有实际应用，比如辨别冷饮，同时还有可能改善义肢设备的情感体验，比如感受到所爱之人的温暖之手。

Venkatasubramanian 和热电团队正在与 Armiger、一组神经科学家和机器人学家合作，作为一个由健康科学统一服务大学（USU）康复科学研究中心支持的研究的一部分，该研究通过亨利·M·杰克逊基金会获得了资助，旨在创建一个可穿戴的热电制冷器，具备足够的速度和强度来匹配人体快速感知温度变化的能力。

基于此，可穿戴的TFTEC应运而生。

我们的TFTEC只有略大于一毫米厚，重量仅为0.05克，类似于一种薄薄的创可贴，并且可以在不到一秒钟的时间内提供强烈的制冷效果，它也比当今最常见的热电设备更节能两倍，并且可以使用用于制造发光二极管（LED）的半导体工具来进行制造。这是一个令人兴奋的发展，可能对假肢和触觉应用产生重大影响。

为了测试TFTEC的功效，研究人员在四名截肢者的幻肢手上进行了热感觉的映射。

当有人失去一部分肢体时，残肢内的神经还在，这可能导致“幻肢”感觉，可以将电极放置在截肢者上臂的不同部位，在那些神经再生的地方刺激感觉，通常是压力，但在当前的情况下是温度，个人可以告诉我们他们感受到幻肢的哪个部位这些感觉。

《自然生物医学工程》最近发表了APL在TFTEC的广泛研究中针对这种感觉应用的结果，其中包括实验室尺度的表征、对截肢者的试验和方法的真实演示。该研究指出，在进行冷侦测任务时，TFTEC在所有参与者的幻肢中引发了制冷感觉，而传统的热电技术只在其中的一半参与者中引发了制冷感觉，并且TFTEC的速度快8倍，强度高3倍。此外，与当前的热电设备相比，TFTEC使用的能量只有一半。

与传统设备相比，TFTEC设备在创造更快、更强烈的制冷感觉方面能力明显更强，尽管目标温度是相同的，这有助于参与者作出更快的决策和观察。

测试参与者的刺激部位在48周的测试期间保持不变，这表明该技术可以使使用者多年来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程序对于实际使用具有吸引力。

这种迷你化热电技术能够以较低的能量和尺寸生成逼真而信息丰富的温度信号，适用于皮肤表面应用，不会影响运动。

APL在材料科学和电子器件工程与生物学和神经科学的交叉领域探索中，具备将新型健康应用推向可能性极限的独特资质。除了革命性假肢计划，APL在神经接口研究、改进基因组学工具和监测战士疲劳以预防伤害等国家健康任务领域都取得了显著进展。