MIT-Ingenieure entwickeln hochpräzisen Tastsensor-Handschuh für medizinische Diagnostik

Neue Sensoren vom MIT erkennen kleine und schnelle Druckänderungen an der Fingerspitze. Auf einem Seidenhandschuh platziert, helfen die bolzenförmigen Komponenten, ein wertvolles Bild für Ärzte zu erstellen.

Die Erfinder der hochsensiblen Sensoren, die feine Vibrationen über der Haut erfassen, liefern spezifische Druckkarten, die Patienten künftig bei verschiedenster Unterstützung helfen könnten – von einfacher Pulsüberwachung bis zur komplexen Wiederherstellung motorischer Funktionen.

Das Cambridge (MA)-Team plant, die Drucksensoren nicht nur in taktile Handschuhe, sondern auch in flexible Klebstoffe zu integrieren, um Herzschlag, Blutdruck und andere Vitalzeichen zu tracken.

„Die Einfachheit und Zuverlässigkeit unserer Sensortstruktur birgt großes Potenzial für vielfältige Gesundheitsanwendungen, wie Pulserkennung und Wiederherstellung der sensorischen Fähigkeit bei Patienten mit taktiler Dysfunktion“, sagte Nicholas Fang, Professor für Maschinenbau am MIT, in einer aktuellen Pressemitteilung.

Wie man eine Druckkarte erstellt

Die MIT-Forscher fütterten das Innere eines Handschuhs mit kleinen, kernartigen Detektoren, die subtile Druckänderungen kartieren. Der Handschuh erzeugte spezifische Drucklayouts (Maps) je nach gehaltenem Objekt.

Der Sensor-Handschuh registrierte Druckunterschiede zwischen einem gehaltenen Ballon und einem Becher. Ein Ballon erzeugte ein relativ gleichmäßiges Drucksignal über die gesamte Handfläche, während das Greifen eines Bechers stärkeren Druck an den Fingerspitzen erzeugte.

Das Team plant, den Handschuh für Druckmuster weiterer Aufgaben zu nutzen – Schreiben mit Stift, Handhaben von Haushaltsgegenständen. Die taktilen Hilfen könnten Patienten mit motorischen Dysfunktionen helfen, Handgeschicklichkeit und Griffkraft zu kalibrieren und zu stärken, so Prof. Fang.

„Manche Feinmotorik erfordert nicht nur zu wissen, wie man Objekte handhabt, sondern auch, wie viel Kraft aufzuwenden ist“, sagte Prof. Fang. „Dieser Handschuh könnte genauere Messungen der Greifkraft für Kontrollgruppen vs. Patienten nach Schlaganfall oder anderen neurologischen Erkrankungen liefern.“

Fang und Kollegen beschreiben ihre Ergebnisse in einer Studie in Nature Communications. Co-Autoren: Huifeng Du und Liu Wang (MIT) sowie Prof. Chuanfei Guos Gruppe an der Southern University of Science and Technology (SUSTech) in China.

Das Kleine spüren

Die taktilen Sensoren ersetzen die konventionelle Dielektrikumsschicht durch einen überraschenden, natürlichen Inhaltsstoff: menschlichen Schweiß. Schweiß enthält Natrium- und Chlorid-Ionen, die sich ansammeln und die Kapazität zwischen zwei dünnen, flachen Elektroden auf der Haut verändern können.

Das MIT-Team steigerte die Empfindlichkeit der Sensorelektrode, indem es winzige, biegsame, leitende Haare hinzufügte. Die dünnen, kernartigen Sensorelektroden sind mit Tausenden dieser goldenen mikroskopischen Filamente („Mikropfeiler“) ausgekleidet.

In ihrer Studie demonstrierten Fang und Erfinder, dass die Sensoren den Grad präzise messen konnten, in dem Gruppen von Mikropfeilern auf verschiedene Kräfte und Drücke reagierten.

Wird Druck auf z. B. eine Ecke der Elektrode ausgeübt, biegen sich die Haare in diesem Bereich, reichern Ionen von der Haut an; Grad und Ort der Ionen können präzise gemessen und kartiert werden.

Die Sensoren erfassten subtile Phasen im Puls einer Person – z. B. verschiedene Peaks im selben Zyklus.

„Puls ist eine mechanische Vibration, die auch Hautdeformation verursacht, die wir nicht spüren, aber die Pfeiler erfassen können“, sagte Fang.

In einem kurzen Q&A mit Tech Briefs erklärt Fang mehr über Druckkarten-Möglichkeiten jenseits des Pulses.

Tech Briefs: Was ist die spannendste Anwendung, die Sie für diese Technologie sehen? Warum ist dieser Handschuh so wichtig?

Prof. Nicholas Fang: Wir sehen die Integration hochauflösender haptischer Rückmeldung in Stoffe und Textilien als Öffnung für neuartige medizinische/Healthcare-Geräteanwendungen – z. B. Wiederherstellung sensorischer Fähigkeit bei taktiler Dysfunktion, auch VR/AR-Gaming und Training.

Tech Briefs: Warum ist eine Druckkarte so wichtig? Was kann man damit anfangen?

Prof. Nicholas Fang: Die hochauflösende Druckkarte eines smarten Handschuhs, unempfindlich gegenüber Bewegungsartefakten, ermöglicht genauere Beurteilung motorischer Fähigkeiten von Hand und Fingern für Point-of-Care-Anwendungen. Unser Handschuh eröffnet kontinuierliches Monitoring von Hand- und Fingergeschicklichkeit [während Aktivitäten] wie Puzzles zusammensetzen, Perlen sortieren, Karten falten, Brettspiele spielen, Schuhe binden.

Weitere Sensoren auf Tech Briefs

Roboter-Grabefinger vom MIT nutzt taktiles Sensoring zur Objektidentifikation unterirdisch.

„Selbstbewusstes“, selbstversorgendes Sensormaterial für Herzstents, Brücken, sogar Weltraum.

Tragbarer Sensor detektiert giftige Gase mit Hologramm.

Tech Briefs: Was hat Sie inspiriert, mit Schweiß zu sensieren? Vor- und Nachteile?

Prof. Nicholas Fang: Zur Klarstellung: Nur minimaler Schweiß auf natürlich hydratisierter Haut nötig – unter physiologischen Bedingungen gegeben.

Unser Sensordesign wurde von zwei Ideen inspiriert:

1. Lange Haarsensoren bei Insekten (z. B. Wanderspinnen) mit erstaunlichem Tastsinn und Boden vibrationserfassung.

2. Elektroden-auf-Haut-Setups im Healthcare – unsere Innovation: Nutzung der vorgeschriebenen Deformation von Carbonstoff, elektrostatisch beflockten PET-[Polyethylenterephthalat]-Pfeilern in konformem Kontakt mit hydratisierter Haut. Diese beflockten PET-Mikropfeiler fungieren als Drucksensoren mit außergewöhnlicher Empfindlichkeit für subtile Kraftänderungen.

Tech Briefs: Woran arbeiten Sie als Nächstes mit diesem Handschuh?

Prof. Nicholas Fang: Als Nächstes evaluieren wir die Texturwahrnehmung verschiedener Materialien am smarten Handschuh, um den menschlichen Tastsinn für Greifen und Manipulieren kleiner Objekte weiter zu erweitern.

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