Dieser Touchy-Feely-Handschuh erfasst und kartiert taktile Reize

Wenn Sie einen Ballon aufheben, ist der Druck, ihn festzuhalten, ein anderer als der, den Sie ausüben würden, um ein Glas zu greifen. Und jetzt haben Ingenieure am MIT und anderswo eine Möglichkeit, solche Feinheiten der taktilen Geschicklichkeit präzise zu messen und abzubilden.

Das Team hat einen neuen berührungsempfindlichen Handschuh entwickelt, der Druck und andere taktile Reize „fühlen“ kann. Die Innenseite des Handschuhs ist mit einem Sensorsystem ausgestattet, das kleine Druckänderungen im Handschuh erkennt, misst und abbildet. Die einzelnen Sensoren sind hochgradig aufeinander abgestimmt und können sehr schwache Vibrationen über die Haut aufnehmen, z. B. vom Puls einer Person.

Wenn die Probanden den Handschuh trugen, während sie einen Ballon statt eines Bechers aufhoben, generierten die Sensoren Druckkarten, die für jede Aufgabe spezifisch waren. Das Halten eines Ballons erzeugte ein relativ gleichmäßiges Drucksignal über die gesamte Handfläche, während das Greifen eines Bechers einen stärkeren Druck an den Fingerspitzen erzeugte.

Die Forscher sagen, dass der taktile Handschuh helfen könnte, die motorische Funktion und Koordination bei Menschen zu trainieren, die einen Schlaganfall oder eine andere feinmotorische Erkrankung erlitten haben. Der Handschuh könnte auch angepasst werden, um virtuelle Realität und Spielerlebnisse zu erweitern. Das Team beabsichtigt, die Drucksensoren nicht nur in taktile Handschuhe, sondern auch in flexible Klebstoffe zu integrieren, um Puls, Blutdruck und andere Vitalfunktionen genauer zu verfolgen als Smartwatches und andere tragbare Monitore.

„Die Einfachheit und Zuverlässigkeit unserer Sensorstruktur ist vielversprechend für eine Vielzahl von Anwendungen im Gesundheitswesen, wie z. B. die Pulserkennung und die Wiederherstellung der sensorischen Fähigkeiten bei Patienten mit taktiler Dysfunktion“, sagt Nicholas Fang, Professor für Maschinenbau am MIT.

Die Drucksensoren des Handschuhs ähneln im Prinzip Sensoren, die die Luftfeuchtigkeit messen. Diese Sensoren, die in HVAC-Systemen, Kühlschränken und Wetterstationen zu finden sind, sind als kleine Kondensatoren mit zwei Elektroden oder Metallplatten konzipiert, die ein gummiartiges „dielektrisches“ Material einschließen, das elektrische Ladungen zwischen den beiden Elektroden hin- und herbewegt.

Unter feuchten Bedingungen wirkt die dielektrische Schicht wie ein Schwamm, um geladene Ionen aus der umgebenden Feuchtigkeit aufzusaugen. Diese Zugabe von Ionen verändert die Kapazität oder Ladungsmenge zwischen den Elektroden in einer Weise, die quantifiziert und in eine Messung der Feuchtigkeit umgewandelt werden kann.

In den letzten Jahren haben Forscher diese kapazitive Sandwichstruktur für das Design dünner, flexibler Drucksensoren adaptiert. Die Idee ist ähnlich:Wird ein Sensor gequetscht, verschiebt sich das Ladungsgleichgewicht in seiner dielektrischen Schicht in einer Weise, die gemessen und in ein Drucksignal umgewandelt werden kann. Aber die dielektrische Schicht in den meisten Drucksensoren ist relativ sperrig, was ihre Empfindlichkeit einschränkt.

Für ihre neuen taktilen Sensoren hat das Team die herkömmliche dielektrische Schicht zugunsten einer überraschenden Zutat abgeschafft:menschlicher Schweiß. Da Schweiß von Natur aus Ionen wie Natrium und Chlorid enthält, argumentierten sie, dass diese Ionen als dielektrische Stellvertreter dienen könnten. Anstelle einer Sandwichstruktur stellten sie sich zwei dünne, flache Elektroden vor, die auf der Haut platziert werden, um einen Stromkreis mit einer bestimmten Kapazität zu bilden. Wenn Druck auf eine „Sensor“-Elektrode ausgeübt würde, würden sich Ionen aus der natürlichen Feuchtigkeit der Haut auf der Unterseite ansammeln und die Kapazität zwischen beiden Elektroden um einen messbaren Betrag ändern.

Sie fanden heraus, dass sie die Empfindlichkeit der Sensorelektrode erhöhen konnten, indem sie ihre Unterseite mit einem Wald winziger, biegsamer, leitfähiger Haare bedeckten. Jedes Haar würde als mikroskopische Verlängerung der Hauptelektrode dienen, so dass, wenn Druck auf beispielsweise eine Ecke der Elektrode ausgeübt würde, sich die Haare in diesem bestimmten Bereich als Reaktion biegen und Ionen von der Haut in dem Grad ansammeln würden und deren Standort genau gemessen und kartiert werden konnte.

In ihrer neuen Studie stellte das Team dünne, kerngroße Sensorelektroden her, die mit Tausenden von mikroskopisch kleinen Goldfilamenten oder „Mikrosäulen“ ausgekleidet waren. Sie demonstrierten, dass sie den Grad genau messen konnten, in dem sich Gruppen von Mikrosäulen als Reaktion auf verschiedene Kräfte und Drücke verbogen. Als sie eine Sensorelektrode und eine Kontrollelektrode an der Fingerspitze eines Freiwilligen platzierten, stellten sie fest, dass die Struktur hochempfindlich war. Die Sensoren waren in der Lage, subtile Phasen im Puls der Person zu erkennen, wie z. B. unterschiedliche Spitzen im selben Zyklus. Sie konnten auch genaue Pulsmessungen durchführen, selbst wenn die Person, die die Sensoren trug, mit den Händen winkte, wenn sie durch einen Raum ging.

„Puls ist eine mechanische Vibration, die auch eine Verformung der Haut verursachen kann, die wir nicht fühlen können, aber die Säulen können abholen“, sagte Fang.

Anschließend wendeten die Forscher die Konzepte ihres neuen mikrosäulenförmigen Drucksensors auf das Design eines hochsensiblen taktilen Handschuhs an. Sie begannen mit einem Seidenhandschuh, den das Team von der Stange kaufte. Um Drucksensoren herzustellen, schnitten sie kleine Quadrate aus Kohlenstoffgewebe aus, einem Textil, das aus vielen dünnen Filamenten ähnlich wie Mikrosäulen besteht.

Sie verwandelten jedes Stoffquadrat in eine Sensorelektrode, indem sie es mit Gold besprühten, einem natürlich leitfähigen Metall. Dann klebten sie die Gewebeelektroden an verschiedene Teile des Innenfutters des Handschuhs, einschließlich der Fingerspitzen und Handflächen, und führten leitfähige Fasern durch den Handschuh, um jede Elektrode mit dem Handgelenk des Handschuhs zu verbinden, wo die Forscher eine Kontrollelektrode klebten.

Mehrere Freiwillige trugen abwechselnd den taktilen Handschuh und führten verschiedene Aufgaben aus, darunter das Halten eines Ballons und das Greifen eines Glasbechers. Das Team sammelte Messwerte von jedem Sensor, um während jeder Aufgabe eine Druckkarte über den Handschuh zu erstellen. Die Karten zeigten deutliche und detaillierte Druckmuster, die während jeder Aufgabe erzeugt wurden.

Das Team plant, den Handschuh zu verwenden, um Druckmuster für andere Aufgaben zu identifizieren, beispielsweise das Schreiben mit einem Stift und den Umgang mit anderen Haushaltsgegenständen. Letztendlich stellen sie sich vor, dass solche taktilen Hilfsmittel Patienten mit motorischer Dysfunktion helfen könnten, ihre Handfertigkeit und ihren Griff zu kalibrieren und zu stärken.

„Einige Feinmotorik erfordert nicht nur das Wissen, wie man mit Gegenständen umgeht, sondern auch, wie viel Kraft ausgeübt werden sollte“, sagte Fang. „Dieser Handschuh könnte uns genauere Messungen der Greifkraft für Kontrollgruppen im Vergleich zu Patienten liefern, die sich von einem Schlaganfall oder anderen neurologischen Erkrankungen erholen. Dies könnte unser Verständnis verbessern und Kontrolle ermöglichen.“