手套的感官形象
当志愿者戴着手套分别拿起气球和烧杯时,传感器会生成针对每个任务的压力图。握住气球会在整个手掌产生相对均匀的压力信号,而握住烧杯则会在指尖产生更强的压力。这种手套可以帮助恢复中风后的运动功能,并增强虚拟游戏体验。

当你拿起一个气球时,抓住它的压力与你抓住一个罐子时的压力是不同的。现在,麻省理工学院和其他地方的工程师们有了一种方法来精确测量和绘制触觉灵巧的微妙之处。

该团队设计了一种新的触摸感应手套,可以“感受到”压力和其他触觉刺激。手套内部有一个传感器系统,可以检测、测量和绘制手套上的压力变化。这些单独的传感器高度协调,可以捕捉到皮肤上非常微弱的振动,比如人的脉搏。

当受试者戴着手套拿起气球和烧杯时,传感器会生成针对每个任务的压力图。握住气球会在整个手掌产生相对均匀的压力信号,而握住烧杯则会在指尖产生更强的压力。

研究人员说,触觉手套可以帮助中风或其他精细运动疾病患者重新训练运动功能和协调能力。这种手套还可以用来增强虚拟现实和游戏体验。该团队设想将压力传感器不仅集成到触觉手套中,还集成到柔性粘合剂中,以比智能手表和其他可穿戴监控器更准确地跟踪脉搏、血压和其他生命体征。

麻省理工学院(MIT)机械工程教授尼古拉斯•方(Nicholas Fang)表示:“我们的传感结构的简单性和可靠性为多种医疗应用带来了巨大希望,比如脉搏检测和恢复触觉障碍患者的感觉能力。”

这种手套的压力传感器在原理上与测量湿度的传感器类似。这些传感器在暖通空调系统、冰箱和气象站中都能找到,它们被设计成带有两个电极或金属板的小电容器,中间夹着一种橡胶“介质”材料,可以在两个电极之间传输电荷。

在潮湿的环境下,电介质层就像海绵一样从周围的湿气中吸收带电离子。这种离子的加入改变了电容,也就是电极之间的电荷量,从而可以量化并转换为湿度的测量值。

近年来,研究人员已将这种电容夹层结构用于薄而柔性压力传感器的设计。原理是类似的:当传感器受到挤压时,介质层中的电荷平衡会发生变化,这种变化可以被测量并转换成压力信号。但大多数压力传感器的介质层相对庞大,限制了它们的灵敏度。

在他们的新型触觉传感器中,该团队摒弃了传统的电介质层,采用了一种令人惊讶的成分:人体汗液。由于汗液中自然含有钠和氯等离子,他们推断这些离子可以作为电介质的替代品。他们设想的不是三明治结构,而是两个薄而平的电极,放置在皮肤上,形成一个具有一定电容的电路。如果对一个“感应”电极施加压力,来自皮肤天然水分的离子就会积聚在电极底部,并改变两个电极之间的电容,改变的量是他们可以测量的。

他们发现,他们可以通过在传感电极的底部覆盖大量微小的、弯曲的、导电的毛发来提高传感电极的灵敏度。每根头发会作为微观扩展的主要电极,这样,如果应用到压力,说,一个角落的电极,特定地区的毛发会弯曲作为回应,从皮肤和积累离子,可以精确的程度和位置测量和绘制。

在他们的新研究中,研究小组制作了薄的、内核大小的传感电极,电极上排列着成千上万的金微丝,或称“微柱”。他们证明,他们可以准确测量微柱组在不同的力和压力下弯曲的程度。当他们把一个传感电极和一个控制电极放在志愿者的指尖上时,他们发现这个结构是高度敏感的。传感器能够捕捉到人脉搏的细微阶段,比如同一周期的不同峰值。它们还可以保持准确的脉搏读数,即使戴着传感器的人在穿过房间时挥手。

“脉冲是一种机械振动,也会导致皮肤变形,我们感觉不到,但这些柱子可以捕捉到,”方说。

然后,研究人员将他们的新型微柱压力传感器的概念应用到高灵敏度触觉手套的设计中。他们从一只现成的丝质手套开始。为了制造压力传感器,他们从碳布上剪下小方块,碳布是一种由许多类似微柱的细丝组成的纺织品。

他们在每块布上喷上黄金(一种天然导电金属),将其变成感应电极。然后,他们将布电极粘在手套内层的不同部分,包括指尖和手掌,并将导电纤维贯穿手套,将每个电极连接到手套的手腕上,研究人员在手腕上粘上了一个控制电极。

几名志愿者轮流戴着触觉手套,执行各种任务,包括手持气球和手持玻璃烧杯。研究小组收集了每个传感器的读数,在每个任务中绘制出手套上的压力图。这些地图揭示了在每个任务中产生的不同和详细的压力模式。

研究小组计划使用这种手套来识别其他任务的压力模式,比如用笔写字和处理其他家居用品。最终,他们设想这种触觉辅助可以帮助运动障碍患者校准和加强他们的手的灵活性和握力。

“一些精细的运动技能不仅需要知道如何处理物体,还需要知道应该施加多大的力,”方说。“这种手套可以为我们提供更精确的握力测量数据,用于对照组与中风或其他神经系统疾病康复患者。这可能会增加我们的理解并实现控制。”