MIT-Ingenieure entwickeln fortschrittlichen Tastsensor-Handschuh für präzises taktiles Mapping

Wenn Sie einen Ballon aufheben, ist der Druck, um ihn zu halten, anders als beim Greifen eines Glases. Jetzt haben Ingenieure am MIT und anderswo einen Weg, diese Feinheiten taktiler Geschicklichkeit präzise zu messen und zu kartieren.

Das Team entwarf einen neuen Tastsensor-Handschuh, der Druck und andere taktile Reize „fühlen“ kann. Das Handschuh-Innere ist mit einem Sensorsystem durchzogen, das kleine Druckänderungen über den Handschuh detektiert, misst und kartiert. Die Einzelsensoren sind hochsensibel und erfassen schwächste Vibrationen über der Haut – z. B. den Puls einer Person.

Wenn Probanden den Handschuh trugen und einen Ballon vs. Becher aufhoben, generierten die Sensoren aufgabenspezifische Druckmaps. Ballonhalten: relativ gleichmäßiges Drucksignal über gesamte Handfläche. Bechergreifen: stärkerer Druck an Fingerspitzen.

Forscher sagen: Taktiler Handschuh könnte Motorik und Koordination bei Schlaganfall- oder Feinmotorik-Patienten neu trainieren. Auch für VR/AR-Gaming anpassbar. Team plant Integration der Drucksensoren in taktile Handschuhe und flexible Klebstoffe für Puls-, Blutdruck- und Vitalzeichen-Tracking – genauer als Smartwatches und andere Wearables.

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

Die Drucksensoren des Handschuhs funktionieren prinzipiell wie Feuchtesensoren in HLK-Anlagen, Kühlschränken, Wetterstationen: kleine Kondensatoren mit zwei Elektroden (Metallplatten), die ein gummiartiges „Dielektrikum“ einschließen, das elektrische Ladungen zwischen den Elektroden transportiert.

Bei Feuchtigkeit saugt die Dielektrikumsschicht wie ein Schwamm geladene Ionen aus Umgebungsfeuchtigkeit auf. Diese Ionen ändern die Kapazität (Ladungsmenge zwischen Elektroden) mess- und quantifizierbar – Umwandlung in Feuchtemessung.

In jüngster Zeit adaptierten Forscher diese kapazitive Sandwich-Struktur für dünne, flexible Drucksensoren. Idee ähnlich: Wird Sensor gedrückt, verschiebt sich Ladungsbilanz in der Dielektrikumsschicht messbar → Drucksignal. Doch Dielektrikum in den meisten Drucksensoren ist relativ voluminös → begrenzte Empfindlichkeit.

Für ihre neuen taktilen Sensoren verzichtete das Team auf konventionelles Dielektrikum zugunsten eines überraschenden Inhaltsstoffs: menschlicher Schweiß. Da Schweiß natürlich Ionen (Natrium, Chlorid) enthält, könnten diese als Dielektrikum-Ersatz dienen. Statt Sandwich: zwei dünne, flache Elektroden auf der Haut bilden einen Stromkreis mit bestimmter Kapazität. Wird Druck auf eine „Sensorelektrode“ ausgeübt, reichern sich Ionen der natürlichen Hautfeuchtigkeit auf der Unterseite an und ändern die Kapazität zwischen beiden Elektroden messbar.

Empfindlichkeit der Sensorelektrode wurde gesteigert, indem ihre Unterseite mit einem Wald winziger, biegsamer, leitender Haare bedeckt wurde. Jedes Haar = mikroskopische Verlängerung der Hauptelektrode. Wird Druck auf z. B. eine Elektrodenecke ausgeübt, biegen Haare in diesem Bereich, reichern Hautionen an – Grad und Ort präzise mess- und kartierbar.

In ihrer neuen Studie fertigte das Team dünne, kernartige Sensorelektroden mit Tausenden goldener mikroskopischer Filamente („Mikropfeiler“). Sie demonstrierten präzise Messung des Biegegrads von Mikropfeilergruppen bei verschiedenen Kräften/Druck. Sensorelektrode und Referenzelektrode auf Fingerkuppe eines Freiwilligen: Struktur hochsensibel. Sensoren erfassten subtile Phasen im Puls – verschiedene Peaks im selben Zyklus. Auch bei Handbewegungen beim Gehen durch Raum: akkurate Pulsmessungen.

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

Forscher wandten Mikropfeiler-Drucksensor-Konzepte auf Design eines hochsensiblen taktilen Handschuhs an. Start: Seidenhandschuh (Handelsware). Für Drucksensoren schnitten sie kleine Quadrate aus Carbonstoff (Textil aus vielen dünnen Filamenten ähnlich Mikropfeilern).

Jedes Stoffquadrat wurde durch Goldbesprühen zur Sensorelektrode (Gold = natürlich leitend). Stoffelektroden an verschiedenen Stellen der Handschuh-Innenfutter geklebt – Fingerspitzen, Handflächen. Leitende Fäden durch Handschuh gezogen, verbinden jede Elektrode mit Handgelenk, wo Forscher Referenzelektrode klebten.

Mehrere Freiwillige trugen taktilen Handschuh bei verschiedenen Aufgaben: Ballon halten, Glasbecher greifen. Team sammelte Sensordaten für Druckmaps je Aufgabe. Maps zeigten distincte, detaillierte Druckmuster je Aufgabe.

Team plant Druckmuster für weitere Aufgaben: Schreiben mit Stift, Haushaltsgegenstände handhaben. Letztlich könnten solche taktilen Hilfen Patienten mit motorischer Dysfunktion helfen, Handgeschicklichkeit und Griffkraft zu kalibrieren und zu stärken.

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