Сенсорная перчатка обнаруживает и отображает тактильные раздражители

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

Команда инженеров Массачусетского технологического института разработала новую сенсорную перчатку, которая может «чувствовать» давление и другие тактильные раздражители. Внутренняя подкладка перчаток утыкана небольшими электродами размером с ядро, которые могут обнаруживать и отображать незначительные изменения давления. Предоставлено: Массачусетский технологический институт.

Когда испытуемые носили перчатку, поднимая воздушный шар, а не стакан, датчики генерировали карты давления, характерные для каждой задачи. При удерживании воздушного шара сигнал давления давал относительно равномерный по всей ладони, а взятие химического 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 другое мелкое моторное заболевание. Перчатка также может быть адаптирована для дополнения виртуальной реальности и игрового опыта. Команда предполагает интегрировать датчики давления не только в тактильные перчатки, но и в гибкий клей для более точного отслеживания пульса, артериального давления и других показателей жизнедеятельности, чем умные часы и другие носимые мониторы.

«Простота и надежность нашей сенсорной структуры открывают большие перспективы для множества приложений здравоохранения, таких как обнаружение пульса и восстановление сенсорных способностей у пациентов с тактильной дисфункцией», — говорит Николас Фанг, профессор машиностроения в Массачусетском технологическом институте.

Фанг и его сотрудники подробно описывают свои результаты в исследовании, опубликованном сегодня в Nature Communications. Соавторами исследования являются Хуэйфэн Ду и Лю Ван из Массачусетского технологического института, а также группа профессора Чуаньфэя Го из Южного университета науки и технологий (SUSTech) в Китае.

Ощущение пота

Датчики давления в перчатках в принципе аналогичны датчикам, измеряющим влажность. Эти датчики, используемые в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, холодильниках и метеостанциях, сконструированы в виде небольших конденсаторов с двумя электродами или металлическими пластинами, помещенными между ними из эластичного «диэлектрического» материала, перемещающего электрические заряды между двумя электродами.

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

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

В своих новых тактильных датчиках команда MIT и SUSTech отказалась от обычного диэлектрического слоя в пользу удивительного ингредиента: человеческого пота. Поскольку пот естественным образом содержит ионы, такие как натрий и хлорид, они предположили, что эти ионы могут служить диэлектрическими заменителями. Вместо сэндвич-структуры они предполагали два тонких плоских электрода, помещенных на кожу, чтобы сформировать цепь с определенной емкостью. Если к одному «чувствительному» электроду приложить давление, ионы естественной влаги кожи будут накапливаться на нижней стороне и изменять емкость между обоими электродами на величину, которую они могут 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 давление будет приложено, скажем, к углу электрода, волосы в этой конкретной области будут изгибаться в ответ и накапливать ионы из кожи, степень и местоположение которых можно было точно измерить и нанести на карту.

Столбы давления

В своем новом исследовании команда изготовила тонкие чувствительные электроды размером с ядро, покрытые тысячами золотых микроскопических нитей, или «микростолбиков». Они продемонстрировали, что могут точно измерить степень изгиба групп микростолбиков в ответ на различные силы и давления. Когда они поместили чувствительный электрод и контрольный электрод на кончик пальца добровольца, они обнаружили, что структура очень чувствительна. Датчики смогли уловить едва различимые фазы пульса человека, например разные пики в одном и том же цикле. Они также могли отслеживать точные показания пульса, даже когда человек, носящий датчики, махал руками, когда шел по комнате.

«Пульс — это механическая вибрация, которая также может вызывать деформацию кожи, которую мы не чувствуем, но столбы могут улавливать», — говорит Фанг.

Затем исследователи применили концепцию своего нового датчика давления с микропиллярами для создания высокочувствительной тактильной перчатки. Они начали с шелковой перчатки, которую команда купила со склада. Чтобы сделать датчики давления, они вырезали небольшие квадраты из углеродной ткани, ткани, состоящей из множества тонких нитей, похожих на микростолбы.

Они превратили каждый квадратный кусок ткани в чувствительный электрод, обрызгав его золотом, естественно проводящим металлом. Затем они приклеили тканевые электроды к различным частям внутренней подкладки перчатки, включая кончики пальцев и ладони, и протянули 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 держали воздушный шар и держали стеклянный стакан. Команда собрала показания каждого датчика, чтобы создать карту давления на перчатке во время каждой задачи. Карты выявили четкие и подробные модели давления, возникающие при выполнении 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 итоге они предполагают, что такие тактильные вспомогательные средства могут помочь пациентам с двигательной дисфункцией откалибровать и усилить ловкость рук и хватку.

«Некоторые мелкие моторные навыки требуют не только знания того, как обращаться с предметами, но и того, какое усилие необходимо приложить», — говорит Фанг. «Эта перчатка может предоставить нам более точные измерения силы захвата для контрольных групп по сравнению с пациентами, выздоравливающими после инсульта или других неврологических состояний. Это могло бы улучшить наше понимание и позволить контролировать ».