Эта перчатка Touchy-Feely чувствует и отображает тактильные раздражители

Когда вы берете в руки воздушный шар, давление, необходимое для того, чтобы удержать его, отличается от того, что вы приложили бы, чтобы схватить банку. И теперь у инженеров Массачусетского технологического института и других организаций есть способ точно измерить и отобразить тонкости тактильной ловкости.

Команда разработала новую сенсорную перчатку, которая может «чувствовать» давление и другие тактильные раздражители. Внутренняя часть перчатки снабжена системой датчиков, которые обнаруживают, измеряют и отображают небольшие изменения давления на перчатке. Отдельные датчики точно настроены и могут улавливать очень слабые вибрации на коже, например пульс человека.

Когда испытуемые надевали перчатку, поднимая воздушный шар, а не стакан, датчики генерировали карты давления, характерные для каждой задачи. Удерживание воздушного шара создавало относительно равномерный сигнал давления на всю ладонь, а сжатие стакана создавало более сильное давление на кончики пальцев.

Исследователи говорят, что тактильная перчатка может помочь восстановить двигательную функцию и координацию у людей, перенесших инсульт или другие нарушения мелкой моторики. Перчатка также может быть адаптирована для дополненной виртуальной реальности и игрового процесса. Команда планирует интегрировать датчики давления не только в тактильные перчатки, но и в гибкие клеи для более точного отслеживания пульса, артериального давления и других показателей жизнедеятельности, чем смарт-часы и другие носимые мониторы.

«Простота и надежность нашей сенсорной структуры открывает большие перспективы для различных медицинских приложений, таких как обнаружение пульса и восстановление сенсорных способностей у пациентов с тактильной дисфункцией», — говорит Николас Фанг, профессор машиностроения Массачусетского технологического института.

Датчики давления в перчатках в принципе аналогичны датчикам, измеряющим влажность. Эти датчики, используемые в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, холодильниках и метеостанциях, представляют собой небольшие конденсаторы с двумя электродами или металлическими пластинами, заключенными в резиновый «диэлектрический» материал, передающий электрические заряды между двумя электродами.

Во влажных условиях диэлектрический слой действует как губка, впитывая заряженные ионы из окружающей влаги. Это добавление ионов изменяет емкость или количество заряда между электродами таким образом, что его можно измерить количественно и преобразовать в измерение влажности.

В последние годы исследователи адаптировали эту емкостную сэндвич-структуру для создания тонких и гибких датчиков давления. Идея похожа:когда датчик сжимается, баланс зарядов в его диэлектрическом слое смещается таким образом, что его можно измерить и преобразовать в сигнал давления. Но диэлектрический слой в большинстве датчиков давления относительно громоздкий, что ограничивает их чувствительность.

Для своих новых тактильных датчиков команда отказалась от обычного диэлектрического слоя в пользу неожиданного ингредиента:человеческого пота. Поскольку пот естественным образом содержит ионы, такие как натрий и хлорид, они пришли к выводу, что эти ионы могут служить диэлектрическими заменителями. Вместо сэндвичевой структуры они представили два тонких плоских электрода, помещенных на кожу, чтобы сформировать цепь с определенной емкостью. Если бы к одному «чувствительному» электроду было приложено давление, ионы естественной влаги кожи аккумулировались бы на нижней стороне и изменили бы емкость между обоими электродами на величину, которую они могли бы измерить.

Они обнаружили, что могут повысить чувствительность сенсорного электрода, покрыв его нижнюю часть лесом крошечных, гибких, проводящих волосков. Каждый волос будет служить микроскопическим продолжением основного электрода, так что, если приложить давление, скажем, к углу электрода, волосы в этой конкретной области будут изгибаться в ответ и накапливать ионы из кожи, степень и местоположение которого можно точно измерить и нанести на карту.

В своем новом исследовании команда изготовила тонкие сенсорные электроды размером с ядро, выстланные тысячами золотых микроскопических нитей или «микростолбиков». Они продемонстрировали, что могут точно измерить степень, в которой группы микростолбиков изгибаются в ответ на различные силы и давления. Когда они поместили сенсорный электрод и контрольный электрод на кончик пальца добровольца, они обнаружили, что структура очень чувствительна. Датчики смогли уловить тонкие фазы пульса человека, такие как разные пики в одном и том же цикле. Они также могли поддерживать точные показания пульса, даже когда человек, носящий датчики, махал руками, идя по комнате.

«Пульс — это механическая вибрация, которая также может вызвать деформацию кожи, которую мы не можем почувствовать, но столбы могут уловить», — сказал Фанг.

Затем исследователи применили концепцию своего нового датчика давления с микропильями к конструкции высокочувствительной тактильной перчатки. Они начали с шелковой перчатки, которую команда приобрела в готовом виде. Чтобы сделать датчики давления, они вырезают маленькие квадраты из углеродной ткани, ткани, состоящей из множества тонких нитей, похожих на микростолбики.

Они превратили каждый квадрат ткани в чувствительный электрод, напылив на него золото — металл, обладающий естественной проводимостью. Затем они приклеили тканевые электроды к различным частям внутренней подкладки перчатки, включая кончики пальцев и ладони, и продели проводящие волокна по всей перчатке, чтобы соединить каждый электрод с запястьем перчатки, где исследователи приклеили контрольный электрод.

Несколько добровольцев по очереди надевали тактильную перчатку и выполняли различные задания, в том числе удерживали воздушный шар и стеклянный стакан. Команда собирала показания с каждого датчика, чтобы создать карту давления на перчатку во время каждой задачи. Карты выявили четкие и подробные модели давления, создаваемого во время каждой задачи.

Команда планирует использовать перчатку для определения моделей давления для других задач, таких как письмо ручкой и обращение с другими предметами домашнего обихода. В конечном счете, они предполагают, что такие тактильные приспособления могут помочь пациентам с двигательной дисфункцией откалибровать и укрепить ловкость рук и хват.

«Некоторые навыки мелкой моторики требуют не только знания того, как обращаться с объектами, но и того, какую силу нужно прикладывать», — сказал Фанг. «Эта перчатка может предоставить нам более точные измерения силы захвата в контрольной группе по сравнению с пациентами, выздоравливающими после инсульта или других неврологических состояний. Это может улучшить наше понимание и обеспечить контроль».