Инженеры MIT разработали передовое тактильное сенсорное перчатку для точного тактильного картирования

Когда вы подбираете шарик, давление, чтобы удержать его, отличается от того, что вы прилагали бы, чтобы схватить банку. И теперь инженеры MIT и другие имеют способ точно измерять и картографировать такие тонкости тактильной ловкости.

Команда спроектировала новую тактильную перчатку, которая может «чувствовать» давление и другие тактильные стимулы. Внутренняя сторона перчатки пронизана системой сенсоров, которая обнаруживает, измеряет и картографирует малые изменения давления по перчатке. Индивидуальные сенсоры высокочувствительны и могут улавливать очень слабые вибрации по коже, такие как пульс человека.

Когда испытуемые надевали перчатку, подбирая шарик против колбы, сенсоры генерировали карты давления, специфичные для каждой задачи. Удержание шарика давало относительно равномерный сигнал давления по всей ладони, а хват колбы создавал более сильное давление на кончиках пальцев.

Исследователи говорят, что тактильная перчатка может помочь переобучить моторную функцию и координацию у людей, перенесших инсульт или другие мелкие моторные условия. Перчатка также может быть адаптирована для дополнения виртуальной реальности и игрового опыта. Команда видит интеграцию датчиков давления не только в тактильные перчатки, но и в гибкие клеевые пластыри для отслеживания пульса, артериального давления и других жизненно важных показателей точнее, чем умные часы и другие носимые мониторы.

«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», — говорит Николас Фанг, профессор механического инжиниринга в MIT.

Давления сенсоры перчатки похожи по принципу на сенсоры, измеряющие влажность. Эти сенсоры, встречающиеся в HVAC-системах, холодильниках и метеостанциях, спроектированы как маленькие конденсаторы, с двумя электродами, или металлическими пластинами, сэндвичающими резиновый «диэлектрический» материал, который перемещает электрические заряды между двумя электродами.

В влажных условиях диэлектрический слой действует как губка, впитывая заряженные ионы из окружающей влаги. Это добавление ионов меняет емкость, или количество заряда между электродами, способом, который можно количественно определить и преобразовать в измерение влажности.

В последние годы исследователи адаптировали эту емкостную сэндвич-структуру для проектирования тонких гибких датчиков давления. Идея похожа: когда сенсор сжимается, баланс зарядов в его диэлектрическом слое смещается способом, который можно измерить и преобразовать в сигнал давления. Но диэлектрический слой в большинстве датчиков давления относительно объемен, ограничивая их чувствительность.

Для своих новых тактильных сенсоров команда отказалась от обычного диэлектрического слоя в пользу удивительного ингредиента: человеческого пота. Поскольку пот естественным образом содержит ионы, такие как натрий и хлорид, они рассуждали, что эти ионы могут служить заместителями диэлектрика. Вместо сэндвич-структуры они представили два тонких плоских электрода, помещенных на кожу для формирования цепи с определенной емкостью. Если давление применялось к одному «сенсорному» электроду, ионы от естественной влаги кожи накапливались на нижней стороне и меняли емкость между обоими электродами на количество, которое они могли измерить.

Они обнаружили, что могут повысить чувствительность сенсорного электрода, покрыв его нижнюю сторону лесом из крошечных гибких проводящих волосков. Каждый волосок служил бы микроскопическим продолжением основного электрода, так что если давление применялось к, скажем, углу электрода, волоски в этом конкретном регионе гнулись в ответ и накаплевали ионы от кожи, степень и расположение которых могли быть точно измерены и отображены на карте.

В своем новом исследовании команда изготовила тонкие сенсорные электроды размером с зернышко, выстланные тысячами золотых микроскопических нитей, или «микропилларов». Они продемонстрировали, что могут точно измерять степень, до которой группы микропилларов гнутся в ответ на различные силы и давления. Когда они поместили сенсорный электрод и контрольный электрод на кончик пальца волонтера, они обнаружили, что структура была высокочувствительной. Сенсоры смогли улавливать тонкие фазы пульса человека, такие как разные пики в одном цикле. Они также могли поддерживать точные показания пульса, даже пока человек, надевший сенсоры, махал руками, идя через комнату.

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

Затем исследователи применили концепции своих новых микропилларистых датчиков давления к проектированию высокочувствительной тактильной перчатки. Они начали с шелковой перчатки, которую команда купила в магазине. Для изготовления датчиков давления они вырезали маленькие квадраты из углеродной ткани, текстиля, состоящего из множества тонких нитей, похожих на микропиллары.

Они превратили каждый квадрат ткани в сенсорный электрод, опрыскивая его золотом, естественным проводящим металлом. Затем они наклеили тканевые электроды на различные части внутренней подкладки перчатки, включая кончики пальцев и ладони, и прошили проводящие волокна через перчатку, чтобы соединить каждый электрод с запястьем перчатки, где исследователи наклеили контрольный электрод.

Несколько волонтеров по очереди надевали тактильную перчатку и выполняли различные задачи, включая удержание шарика и хват стеклянной колбы. Команда собрала показания с каждого сенсора, чтобы создать карту давления по перчатке во время каждой задачи. Карты раскрыли четкие и детальные паттерны давления, генерируемые во время каждой задачи.

Команда планирует использовать перчатку для идентификации паттернов давления для других задач, таких как письмо ручкой и обращение с другими домашними предметами. В конечном счете они видят, что такие тактильные помощники могут помочь пациентам с моторной дисфункцией откалибровать и усилить их ловкость руки и хват.

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