Инженеры MIT разработали высокоточную тактильную перчатку для медицинской диагностики

Новые сенсоры MIT обнаруживают малые и быстрые изменения давления на кончиках пальцев. Когда они размещены на шелковой перчатке, гвоздикообразные компоненты помогают создать ценную картину для врачей.

Изобретатели высокочувствительных сенсоров, улавливающих легкие вибрации по коже, предоставляют конкретные карты давления, которые могут когда-нибудь поддерживать пациентов с разным спектром помощи — от простого мониторинга пульса до сложного восстановления моторных функций.

Команда из Кембриджа (штат Массачусетс) видит интеграцию датчиков давления не только в тактильные перчатки, но и в гибкие клеевые пластыри для отслеживания сердечного ритма, артериального давления и других жизненно важных показателей.

«Простота и надежность нашей сенсорной структуры несут большие обещания для множества медицинских приложений, таких как обнаружение пульса и восстановление сенсорных способностей у пациентов с тактильной дисфункцией», — сказал Николас Фанг , профессор механического инжиниринга MIT, в недавнем пресс-релизе.

Как сделать карту давления

Исследователи MIT выложили внутреннюю сторону перчатки маленькими детекторами размером с зернышко, предназначенными для картирования тонких изменений давления. Перчатка генерировала специфические карты давления в зависимости от удерживаемого объекта.

Сенсорная перчатка зарегистрировала различия в давлении между сжатым шариком и колбой, например. Сжатие шарика давало относительно равномерный сигнал давления по всей ладони, а хват колбы создавал более сильное давление на кончиках пальцев.

Команда планирует использовать перчатку для идентификации паттернов давления для других задач, таких как письмо ручкой и обращение с другими домашними предметами. Тактильные помощники могут когда-нибудь помочь пациентам с моторной дисфункцией откалибровать и усилить ловкость руки и хват, по словам проф. Фанга.

«Некоторые мелкие моторные навыки требуют не только знания того, как обращаться с объектами, но и того, какую силу нужно прилагать», — сказал проф. Фанг. «Эта перчатка может дать нам более точные измерения силы хвата для контрольных групп против пациентов, восстанавливающихся после инсульта или других неврологических состояний».

Фанг и его коллеги детализируют свои результаты в исследовании из Nature Communications. Соавторы исследования включают Хюйфэн Дю и Лю Ван из MIT, а также группу профессора Чуаньфей Го в Южном университете науки и технологий (SUSTech) в Китае.

Чувствование мелочей

Тактильные сенсоры заменяют обычный диэлектрический слой на удивительный естественный ингредиент: человеческий пот. Пот содержит ионы натрия и хлорида, которые накапливаются и имеют способность менять емкость между двумя тонкими плоскими электродами, помещенными на коже.

Команда MIT повысила чувствительность сенсорного электрода, добавив кучу крошечных гибких проводящих волосков. Тонкие сенсорные электроды размером с зернышко, фактически, выстланы тысячами этих золотых микроскопических нитей, или «микропилларов».

В своем исследовании Фанг и изобретатели продемонстрировали, что сенсоры могут точно измерять степень, до которой группы микропилларов гнутся в ответ на различные силы и давления.

Когда давление приложено к, скажем, углу электрода, волоски в этом конкретном регионе гнутся в ответ и накапливают ионы от кожи; степень и расположение ионов могут затем быть точно измерены и отображены на карте.

Сенсоры смогли улавливать тонкие фазы пульса человека, такие как разные пики в одном цикле.

«Пульс — это механическая вибрация, которая также может вызывать деформацию кожи, которую мы не чувствуем, но столбики могут уловить», — сказал Фанг.

В коротком Q&A с Tech Briefs ниже Фанг объясняет больше о возможностях карты давления, выходящих за рамки просто пульса.

Tech Briefs: Какое самое захватывающее применение или область применения вы видите для этой технологии? Почему эта перчатка так важна, как вы думаете?

Проф. Николас Фанг: Мы видим, что интеграция высокоточной тактильной обратной связи в ткани и текстиль откроет новые медицинские и здравоохранительные приложения, такие как восстановление сенсорных способностей у пациентов с тактильной дисфункцией, и также может позволить VR/AR игры и тренировки.

Tech Briefs: Почему взятие карты давления так важно? Что можно сделать с картой давления, как только у вас она есть?

Проф. Николас Фанг: Я думаю, высокоразрешающая карта давления, измеренная умной перчаткой, нечувствительная к артефактам движения, может дать более точную оценку моторных навыков рук и пальцев для точечных приложений. Наша перчатка открывает возможность постоянного мониторинга ловкости рук и пальцев [во время активностей], таких как сборка головоломок, сортировка бусин, складывание карт, настольные игры или завязывание шнурков.

Больше сенсоров на Tech Briefs

Роботизированный палец-копатель от MIT использует тактильное чувствование для идентификации объектов под землей.

«Самосознательный», самозаправляющий сенсорный материал может использоваться в стентах сердца, мостах и даже в космосе.

Носимый сенсор обнаруживает токсичные газы с голограммой.

Tech Briefs: Что вдохновило вас чувствовать потом? Каковы плюсы и минусы использования пота?

Проф. Николас Фанг: Просто для уточнения, нужен только минимальный объем пота на естественно увлажненной коже для работы нашей перчатки, и это удовлетворяется нашей кожей при физиологических условиях.

В дизайне нашего сенсора мы вдохновлялись двумя идеями.

Одна — длинноволосовые сенсоры у насекомых, таких как скитающиеся пауки, у которых удивительное чувство касания и вибраций грунта.

Другая — настройка электродов на коже, широко применяемая в здравоохранении, и наша инновация здесь — использование предписанной деформации углеродной ткани, электростатически наложенных PET [полиэтилентерефталат] столбиков, которые находятся в конформном контакте с увлажненной кожей, и эти наложенные PET микропиллары действуют как датчики давления с выдающейся чувствительностью к тонким изменениям приложенной силы.

Tech Briefs: На чем вы будете работать дальше с этой перчаткой?

Проф. Николас Фанг: Далее мы оценим восприятие текстуры разных материалов на умной перчатке, чтобы они могли дополнительно расширить человеческое чувство касания, важное для захвата и манипулирования мелкими объектами.

Что вы думаете? Делитесь вопросами и комментариями ниже.