MIT Ingenieurs Ontwikkelen Geavanceerde Tastende Handschoen voor Precieze Tactiele Mapping

Wanneer je een ballon oppikt, is de druk om het vast te houden anders dan wat je uitoefent om een pot te grijpen. En nu hebben ingenieurs aan MIT en elders een manier om dergelijke subtiliteiten van tactiele vaardigheid precies te meten en te karteren.

Het team heeft een nieuwe tastende handschoen ontworpen die "kan voelen" druk en andere tactiele stimuli. De binnenkant van de handschoen is dooraderd met een systeem van sensoren die kleine veranderingen in druk over de handschoen detecteert, meet, en kartert. De individuele sensoren zijn hoogst gevoelig en kunnen zeer zwakke trillingen over de huid oppikken, zoals van een persoon's pols.

Wanneer proefpersonen de handschoen droegen terwijl ze een ballon versus een bekerglas oppikten, genereerden de sensoren drukkarten specifiek voor elke taak. Een ballon vasthouden produceerde een relatief gelijkmatig druksignaal over de hele palm, terwijl een bekerglas grijpen sterkere druk aan de vingertoppen creëerde.

De onderzoekers zeggen dat de tactiele handschoen kan helpen motorische functie en coördinatie te herstellen bij mensen die een beroerte of andere fijn motorische aandoening hebben geleden. De handschoen kan ook aangepast worden om virtuele realiteit en gaming ervaringen te verbeteren. Het team ziet vooruit de druk sensoren niet alleen in tactiele handschoenen te integreren maar ook in flexibele hechtmiddelen om pols, bloeddruk, en andere vitale tekenen nauwkeuriger te tracken dan smartwatches en andere draagbare monitors.

"De eenvoud en betrouwbaarheid van onze sensoriestructuur belooft veel voor een diversiteit van gezondheidszorgtoepassingen, zoals polsdetectie en het herstellen van de zintuigende capaciteit in patiënten met tactiele dysfunction," zegt Nicholas Fang, professor mechanische engineering aan MIT.

De druk sensoren van de handschoen zijn vergelijkbaar in principe met sensoren die vochtigheid meten. Deze sensoren, gevonden in HVAC systemen, koelkasten, en weerstations, zijn ontworpen als kleine condensators, met twee elektroden, of metalen platen, die een rubberachtig "dielektrisch" materiaal insluiten dat elektrische lading tussen de twee elektrodes shuttelt.

In vochtige condities fungeert de dielectrische laag als een spons om geladen ionen uit de omringende vocht op te nemen. Deze toevoeging van ionen verandert de capaciteit, of hoeveelheid lading tussen de elektrodes, op een manier die gekwantificeerd en omgezet kan worden in een meting van vochtigheid.

In recente jaren hebben onderzoekers deze capacitieve sandwichstructuur aangepast voor het ontwerp van dunne, flexibele druk sensoren. Het idee is vergelijkbaar: Wanneer een sensor ingedrukt wordt, verschuift het balans van lading in de dielectrische laag op een manier die gemeten en omgezet kan worden in een druksignaal. Maar de dielectrische laag in de meeste druk sensoren is relatief bulky, wat hun gevoeligheid beperkt.

Voor hun nieuwe tactiele sensoren, deed het team af met de conventionele dielectrische laag ten gunste van een verrassend ingrediënt: menselijk zweet. Aangezien zweet van nature ionen bevat zoals natrium en chloride, redenerden ze dat deze ionen als dielectrische placeholders konden dienen. In plaats van een sandwichstructuur, zochten ze twee dunne, plate elektrodes, geplaatst op de huid om een circuit te vormen met een bepaalde capaciteit. Als druk werd toegepast op één "sensor" elektrode, zouden ionen van de natuurlijke vocht van de huid accumuleren aan de onderkant, en de capaciteit tussen beide elektrodes veranderen, met een hoeveelheid die ze konden meten.

Ze vonden dat ze de gevoeligheid van de sensor elektrode konden vergroten door de onderkant te bedekken met een bos kleine, buigzame, geleidende haren. Elk haar zou dienen als een microscopische uitbreiding van de hoofdelektrode, zodat, als druk werd toegepast op, zeg, een hoek van de elektrode, de haren in die specifieke regio in reactie zouden buigen, en ionen van de huid accumuleren, de graad en locatie van welke precies gemeten en gekarteerd konden worden.

In hun nieuwe studie fabriceren het team dunne, pit-grote sensor elektrodes voorzien van duizenden gouden microscopische filamenten, of "micropillars." Ze demonstreerden dat ze de graad nauwkeurig konden meten waartoe groepen micropillars buigden in reactie op diverse krachten en drukken. Toen ze een sensor elektrode en een controle elektrode op een vrijwilligers vingertop plaatsten, vonden ze de structuur hoogst gevoelig. De sensoren waren in staat om subtiele fasen in de pols van de persoon op te pikken, zoals verschillende pieken in dezelfde cyclus. Ze konden ook nauwkeurige polsmetingen behouden, zelfs terwijl de persoon die de sensoren droeg hun handen zwaaide terwijl ze over een kamer liepen.

"Pols is een mechanische trilling die ook deformatie van de huid kan veroorzaken, wat we niet kunnen voelen, maar de pilaren kunnen oppikken," zei Fang.

De onderzoekers pasten de concepten van hun nieuwe micropillared druk sensor toe op het ontwerp van een hoogst gevoelige tactiele handschoen. Ze begonnen met een zijde handschoen, die het team uit de winkel kocht. Om druk sensoren te maken, knippen ze kleine vierkanten uit koolstofstof, een textiel dat samengesteld is uit veel dunne filamenten vergelijkbaar met micropillars.

Ze transformeerden elk stofvierkant in een sensor elektrode door het met goud te spuiten, een van nature geleidend metaal. Ze lijmden de stof elektrodes aan verschillende delen van de binnenkant van de handschoen, inclusief de vingertoppen en palmen, en draaiden geleidende vezels door de handschoen om elke elektrode te verbinden met de pols van de handschoen, waar de onderzoekers een controle elektrode lijmden.

Verschillende vrijwilligers namen beurten de tactiele handschoen te dragen en verschillende taken uit te voeren, inclusief een ballon vasthouden en een glazen bekerglas grijpen. Het team verzamelde metingen van elke sensor om een drukkaart over de handschoen te maken tijdens elke taak. De kaarten onthulden duidelijke en gedetailleerde patronen van druk gegenereerd tijdens elke taak.

Het team plannet de handschoen te gebruiken om drukpatronen voor andere taken te identificeren, zoals schrijven met een pen en het hanteren van andere huishoudelijke objecten. Uiteindelijk zien ze dergelijke tactiele hulpmiddelen voor die patiënten met motorische dysfunction helpen om hun handvaardigheid en greep te calibreren en versterken.

"Sommige fijn motorische vaardigheden vereisen niet alleen te weten hoe objecten te hanteren, maar ook hoeveel kracht uitgeoefend moet worden," zei Fang. "Deze handschoen kan ons nauwkeurigere metingen van grijpkracht leveren voor controle groepen versus patiënten die herstellen van een beroerte of andere neurologische aandoeningen. Dit kan ons begrip vergroten en controle mogelijk maken."