當(dāng)你拿起一個氣球時，握住它的壓力不同于你抓住一個罐子所施加的壓力。現(xiàn)在麻省理工學(xué)院和其他地方的工程師有一種方法可以精確測量和繪制這種觸覺靈活性的微妙之處。

該團(tuán)隊設(shè)計了一種新型觸感手套，可以“感受”壓力和其他觸覺刺激。手套內(nèi)部穿有一個傳感器系統(tǒng)，可以檢測、測量并映射手套上的微小壓力變化。各個傳感器高度協(xié)調(diào)，可以拾取皮膚上非常微弱的振動，例如人的脈搏。

當(dāng)受試者戴上手套拿起氣球而不是燒杯時，傳感器會生成針對每項任務(wù)的壓力圖。握住氣球會在整個手掌上產(chǎn)生相對均勻的壓力信號，而握住燒杯會在指尖產(chǎn)生更大的壓力。

研究人員表示，觸覺手套可以幫助中風(fēng)或其他精細(xì)運動疾病患者重新訓(xùn)練運動功能和協(xié)調(diào)能力。手套也可能適用于增強虛擬現(xiàn)實和游戲體驗。該團(tuán)隊設(shè)想將壓力傳感器不僅集成到觸覺手套中，而且集成到柔性粘合劑中，以比智能手表和其他可穿戴顯示器更準(zhǔn)確地跟蹤脈搏、血壓和其他生命體征。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授 Nicholas Fang 說：“我們的傳感結(jié)構(gòu)的簡單性和可靠性為各種醫(yī)療保健應(yīng)用提供了廣闊的前景，例如脈搏檢測和觸覺功能障礙患者的感覺能力恢復(fù)。”

方和他的合作者在今天發(fā)表在《自然通訊》上的一項研究中詳細(xì)介紹了他們的結(jié)果。該研究的合著者包括麻省理工學(xué)院的 Huifeng Du 和 Liu Wang，以及中國南方科技大學(xué)(SUSTech)郭傳飛教授的小組。

用汗水感知

手套的壓力傳感器在原理上類似于測量濕度的傳感器。這些用于暖通空調(diào)系統(tǒng)、冰箱和氣象站的傳感器被設(shè)計為小型電容器，帶有兩個電極或金屬板，中間夾著一種橡膠“電介質(zhì)”材料，可在兩個電極之間傳輸電荷。

在潮濕條件下，介電層充當(dāng)海綿，從周圍的水分中吸收帶電離子。這種離子的添加??會改變電極之間的電容或電荷量，這種方式可以量化并轉(zhuǎn)換為濕度測量值。

近年來，研究人員已經(jīng)將這種電容夾層結(jié)構(gòu)用于設(shè)計薄而靈活的壓力傳感器。這個想法是相似的：當(dāng)傳感器受到擠壓時，其介電層中的電荷平衡會發(fā)生變化，這種方式可以被測量并轉(zhuǎn)換為壓力。但是大多數(shù)壓力傳感器中的介電層相對龐大，限制了它們的靈敏度。

對于他們的新觸覺傳感器，麻省理工學(xué)院和南科大團(tuán)隊摒棄了傳統(tǒng)的介電層，取而代之的是一種令人驚訝的成分：人體汗液。由于汗液中天然含有鈉和氯等離子，他們推斷這些離子可以作為介電替代物。他們設(shè)想了兩個薄而扁平的電極，而不是三明治結(jié)構(gòu)，放置在皮膚上以形成具有一定電容的電路。如果對一個“感應(yīng)”電極施加壓力，來自皮膚天然水分的離子會積聚在下面，并改變兩個電極之間的電容，達(dá)到他們可以測量的程度。

他們發(fā)現(xiàn)他們可以通過用微小的、彎曲的、導(dǎo)電的毛發(fā)覆蓋其底部來提高傳感電極的靈敏度。每根頭發(fā)都將作為主電極的微觀延伸，這樣，如果對電極的某個角落施加壓力，該特定區(qū)域的頭發(fā)會相應(yīng)彎曲，并從皮膚中積聚離子，程度和位置可以精確測量和映射。

壓力柱

在他們的新研究中，該團(tuán)隊制造了細(xì)長的、內(nèi)核大小的傳感電極，內(nèi)襯數(shù)千根金微細(xì)絲或“微柱”。他們證明他們可以準(zhǔn)確地測量微柱群響應(yīng)各種力和壓力而彎曲的程度。當(dāng)他們將感應(yīng)電極和控制電極放在志愿者的指尖上時，他們發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)非常敏感。傳感器能夠捕捉到人脈搏中的微妙階段，例如同一周期中的不同峰值。他們還可以保持準(zhǔn)確的脈搏讀數(shù)，即使佩戴傳感器的人在穿過房間時揮手。

“脈沖是一種機(jī)械振動，也會導(dǎo)致皮膚變形，我們感覺不到，但柱子可以感覺到，”方說。

然后，研究人員將他們新的微柱壓力傳感器的概念應(yīng)用于高靈敏度觸覺手套的設(shè)計。他們從團(tuán)隊購買的現(xiàn)成絲綢手套開始。為了制造壓力傳感器，他們從碳布上剪下小方塊，碳布是一種由許多類似于微柱的細(xì)絲組成的紡織品。

他們通過噴灑金(一種天然導(dǎo)電金屬)將每個布方塊變成感應(yīng)電極。然后他們將布電極粘在手套內(nèi)襯的各個部分，包括指尖和手掌，并在整個手套中穿入導(dǎo)電纖維，將每個電極連接到手套的手腕，研究人員在那里粘上控制電極。

幾名志愿者輪流戴著觸覺手套并執(zhí)行各種任務(wù)，包括拿著氣球和握住玻璃燒杯。該團(tuán)隊從每個傳感器收集讀數(shù)，以在每個任務(wù)期間創(chuàng)建整個手套的壓力圖。這些地圖揭示了每項任務(wù)期間產(chǎn)生的不同且詳細(xì)的壓力模式。

該團(tuán)隊計劃使用手套來識別其他任務(wù)的壓力模式，例如用鋼筆書寫和處理其他家用物品。最終，他們設(shè)想這種觸覺輔助工具可以幫助運動功能障礙患者校準(zhǔn)和加強手的靈活性和抓地力。

“一些精細(xì)運動技能不僅需要知道如何處理物體，還需要知道應(yīng)該施加多大的力，”方說。“與從中風(fēng)或其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病中康復(fù)的患者相比，這款手套可以為我們提供更準(zhǔn)確的握力測量值。這可以增加我們的理解并實現(xiàn)控制。”

標(biāo)簽： 觸摸感應(yīng)手套