Deze Touchy-Feely Glove Senses en Maps Tactile Stimuli

Wanneer je een ballon oppakt, is de druk om hem vast te houden anders dan de druk die je zou uitoefenen om een ​​pot vast te pakken. En nu hebben ingenieurs van MIT en elders een manier om zulke subtiliteiten van tactiele behendigheid nauwkeurig te meten en in kaart te brengen.

Het team heeft een nieuwe aanraakgevoelige handschoen ontworpen die druk en andere tactiele prikkels kan "voelen". De binnenkant van de handschoen is voorzien van schroefdraad met een systeem van sensoren dat kleine veranderingen in druk over de handschoen detecteert, meet en in kaart brengt. De afzonderlijke sensoren zijn zeer goed op elkaar afgestemd en kunnen zeer zwakke trillingen over de huid opvangen, zoals de pols van een persoon.

Wanneer proefpersonen de handschoen droegen tijdens het oppakken van een ballon versus een beker, genereerden de sensoren drukkaarten die specifiek zijn voor elke taak. Het vasthouden van een ballon produceerde een relatief gelijkmatig druksignaal over de hele handpalm, terwijl het vastpakken van een beker een sterkere druk op de vingertoppen veroorzaakte.

De onderzoekers zeggen dat de tactiele handschoen kan helpen om de motorische functie en coördinatie opnieuw te trainen bij mensen die een beroerte of een andere fijne motorische aandoening hebben gehad. De handschoen kan ook worden aangepast om virtual reality en game-ervaringen te verbeteren. Het team voorziet de integratie van de druksensoren niet alleen in tactiele handschoenen, maar ook in flexibele lijmen om hartslag, bloeddruk en andere vitale functies nauwkeuriger te volgen dan slimme horloges en andere draagbare monitoren.

"De eenvoud en betrouwbaarheid van onze detectiestructuur is veelbelovend voor een verscheidenheid aan toepassingen in de gezondheidszorg, zoals pulsdetectie en het herstellen van het zintuiglijke vermogen bij patiënten met tactiele disfunctie", zegt Nicholas Fang, hoogleraar werktuigbouwkunde aan het MIT.

De druksensoren van de handschoen zijn in principe vergelijkbaar met sensoren die de vochtigheid meten. Deze sensoren, die te vinden zijn in HVAC-systemen, koelkasten en weerstations, zijn ontworpen als kleine condensatoren, met twee elektroden of metalen platen, die een rubberachtig "diëlektrisch" materiaal tussen de twee elektroden inklemmen.

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

De afgelopen jaren hebben onderzoekers deze capacitieve sandwichstructuur aangepast voor het ontwerp van dunne, flexibele druksensoren. Het idee is vergelijkbaar:wanneer een sensor wordt samengedrukt, verschuift de ladingsbalans in zijn diëlektrische laag op een manier die kan worden gemeten en omgezet in een druksignaal. Maar de diëlektrische laag in de meeste druksensoren is relatief omvangrijk, waardoor hun gevoeligheid wordt beperkt.

Voor hun nieuwe tactiele sensoren heeft het team de conventionele diëlektrische laag afgeschaft ten gunste van een verrassend ingrediënt:menselijk zweet. Omdat zweet van nature ionen zoals natrium en chloride bevat, redeneerden ze dat deze ionen zouden kunnen dienen als diëlektrische stand-ins. In plaats van een sandwichstructuur zagen ze twee dunne, platte elektroden die op de huid werden geplaatst om een ​​circuit met een bepaalde capaciteit te vormen. Als er druk zou worden uitgeoefend op één 'gevoelige' elektrode, zouden ionen van het natuurlijke vocht van de huid zich aan de onderkant ophopen en de capaciteit tussen beide elektroden veranderen met een hoeveelheid die ze konden meten.

Ze ontdekten dat ze de gevoeligheid van de detectie-elektrode konden verhogen door de onderkant te bedekken met een bos van kleine, buigzame, geleidende haartjes. Elke haar zou dienen als een microscopisch verlengstuk van de hoofdelektrode, zodat, als er druk zou worden uitgeoefend op bijvoorbeeld een hoek van de elektrode, de haren in dat specifieke gebied zouden buigen als reactie en ionen van de huid zouden verzamelen, de mate waarin en waarvan de locatie nauwkeurig kon worden gemeten en in kaart gebracht.

In hun nieuwe studie fabriceerde het team dunne detectie-elektroden ter grootte van een korrel, bekleed met duizenden gouden microscopisch kleine filamenten, of "micropillars". Ze toonden aan dat ze nauwkeurig konden meten in welke mate groepen micropilaren buigen als reactie op verschillende krachten en drukken. Toen ze een detectie-elektrode en een controle-elektrode op de vingertop van een vrijwilliger plaatsten, ontdekten ze dat de structuur zeer gevoelig was. De sensoren konden subtiele fasen in de hartslag van de persoon oppikken, zoals verschillende pieken in dezelfde cyclus. Ze konden ook nauwkeurige hartslagmetingen bijhouden, zelfs terwijl de persoon die de sensoren droeg met zijn handen zwaaide terwijl ze door een kamer liepen.

"Puls is een mechanische trilling die ook vervorming van de huid kan veroorzaken, die we niet kunnen voelen, maar de pilaren kunnen opvangen," zei Fang.

De onderzoekers pasten vervolgens de concepten van hun nieuwe micropillared druksensor toe op het ontwerp van een zeer gevoelige tactiele handschoen. Ze begonnen met een zijden handschoen, die het team van de plank kocht. Om druksensoren te maken, knippen ze kleine vierkanten uit koolstofdoek, een textiel dat is samengesteld uit vele dunne filamenten die lijken op micropilaren.

Ze veranderden elk vierkant doek in een meetelektrode door het te besproeien met goud, een natuurlijk geleidend metaal. Vervolgens lijmden ze de stoffen elektroden op verschillende delen van de binnenvoering van de handschoen, inclusief de vingertoppen en handpalmen, en rijgen geleidende vezels door de handschoen om elke elektrode met de pols van de handschoen te verbinden, waar de onderzoekers een controle-elektrode plakten.

Verschillende vrijwilligers droegen om de beurt de tactiele handschoen en voerden verschillende taken uit, waaronder het vasthouden van een ballon en het vastgrijpen van een glazen beker. Het team verzamelde metingen van elke sensor om tijdens elke taak een drukkaart over de handschoen te maken. De kaarten onthulden duidelijke en gedetailleerde patronen van druk die tijdens elke taak werden gegenereerd.

Het team is van plan de handschoen te gebruiken om drukpatronen te identificeren voor andere taken, zoals schrijven met een pen en het hanteren van andere huishoudelijke voorwerpen. Uiteindelijk stellen ze zich voor dat dergelijke tactiele hulpmiddelen patiënten met motorische disfunctie kunnen helpen om hun handvaardigheid en grip te kalibreren en te versterken.

"Sommige fijne motoriek vereist niet alleen dat je weet hoe je voorwerpen moet hanteren, maar ook hoeveel kracht er moet worden uitgeoefend," zei Fang. “Deze handschoen zou ons nauwkeurigere metingen kunnen geven van de grijpkracht voor controlegroepen versus patiënten die herstellen van een beroerte of andere neurologische aandoeningen. Dit zou ons begrip kunnen vergroten en controle mogelijk maken.”