このTouchy-FeelyGloveSensesandMapsの触覚刺激

風船を手に取るとき、それを保持するための圧力は、瓶をつかむためにかける圧力とは異なります。そして今、MITや他の場所のエンジニアは、そのような触覚の器用さの微妙さを正確に測定してマッピングする方法を持っています。

チームは、圧力やその他の触覚刺激を「感じる」ことができる新しいタッチセンサーグローブを設計しました。手袋の内側には、手袋全体の圧力の小さな変化を検出、測定、およびマッピングするセンサーのシステムが通されています。個々のセンサーは高度に調整されており、人の脈拍など、皮膚全体の非常に弱い振動を感知できます。

被験者が風船とビーカーを手に取っているときに手袋を着用すると、センサーは各タスクに固有の圧力マップを生成しました。風船を持っていると手のひら全体に比較的均一な圧力信号が発生し、ビーカーを握ると指先でより強い圧力が発生しました。

研究者たちは、触覚手袋は、脳卒中やその他の細かい運動状態に苦しんでいる人々の運動機能と協調を再訓練するのに役立つ可能性があると述べています。グローブは、バーチャルリアリティとゲーム体験を強化するように適合させることもできます。チームは、圧力センサーを触覚グローブだけでなく、柔軟な接着剤に統合して、スマートウォッチやその他のウェアラブルモニターよりも正確に脈拍、血圧、その他のバイタルサインを追跡することを想定しています。

「私たちのセンシング構造のシンプルさと信頼性は、パルス検出や触覚機能障害のある患者の感覚能力の回復など、多様なヘルスケアアプリケーションに大きな期待を寄せています」とMITの機械工学教授であるニコラスファングは述べています。

手袋の圧力センサーは、原則として湿度を測定するセンサーに似ています。 HVACシステム、冷蔵庫、気象観測所にあるこれらのセンサーは、2つの電極または金属板を備えた小さなコンデンサーとして設計されており、2つの電極間で電荷を往復させるゴム状の「誘電体」材料を挟んでいます。

湿度の高い状態では、誘電体層がスポンジとして機能し、周囲の湿気から帯電したイオンを吸収します。このイオンの追加により、電極間の静電容量または電荷量が変化し、定量化して湿度の測定値に変換できるようになります。

近年、研究者はこの容量性サンドイッチ構造を薄くて柔軟な圧力センサーの設計に適合させました。考え方は似ています。センサーを絞ると、誘電体層の電荷のバランスが変化し、測定して圧力信号に変換できるようになります。しかし、ほとんどの圧力センサーの誘電体層は比較的かさばり、感度が制限されます。

彼らの新しい触覚センサーでは、チームは従来の誘電体層を廃止し、驚くべき成分である人間の汗を採用しました。汗にはナトリウムや塩化物などのイオンが自然に含まれているため、これらのイオンが誘電体の代用として機能する可能性があると彼らは考えました。彼らは、サンドイッチ構造ではなく、皮膚に配置されて特定の静電容量を持つ回路を形成する2つの薄くて平らな電極を想定していました。 1つの「検知」電極に圧力を加えると、皮膚の自然な水分からのイオンが下側に蓄積し、測定可能な量だけ両方の電極間の静電容量が変化します。

彼らは、検出電極の下側を小さな曲がりくねった導電性の毛の森で覆うことにより、検出電極の感度を高めることができることを発見しました。各毛髪は主電極の微視的な延長として機能し、たとえば電極の角に圧力が加えられると、その特定の領域の毛髪はそれに応じて曲がり、皮膚からイオンを蓄積します。正確に測定してマッピングできる場所。

彼らの新しい研究では、チームは何千もの金の微細なフィラメント、または「マイクロピラー」で裏打ちされた薄いカーネルサイズの検出電極を製造しました。彼らは、さまざまな力や圧力に応じてマイクロピラーのグループが曲がる程度を正確に測定できることを実証しました。ボランティアの指先に検出電極と制御電極を配置すると、構造が非常に敏感であることがわかりました。センサーは、同じサイクルのさまざまなピークなど、人の脈拍の微妙な位相を検出することができました。また、センサーを装着している人が部屋を歩いているときに手を振っている間でも、正確な脈拍の測定値を維持することができました。

「脈拍は、皮膚の変形を引き起こす可能性のある機械的振動であり、私たちには感じられませんが、柱は拾うことができます」とファング氏は述べています。

次に、研究者たちは、新しいマイクロピラー圧力センサーの概念を、高感度の触覚手袋の設計に適用しました。彼らは、チームが棚から購入したシルクの手袋から始めました。圧力センサーを作るために、彼らはカーボンクロスから小さな正方形を切り取りました。カーボンクロスは、マイクロピラーに似た多くの細いフィラメントで構成されたテキスタイルです。

彼らは、自然に導電性の金属である金をスプレーすることによって、各布の正方形を感知電極に変えました。次に、布​​の電極を指先や手のひらなど、手袋の内側の裏地のさまざまな部分に接着し、導電性繊維を手袋全体に通して、各電極を手袋の手首に接続し、そこで研究者が制御電極を接着しました。

数人のボランティアが交代で触覚手袋を着用し、風船を持ったり、ガラス製ビーカーを握ったりするなど、さまざまな作業を行いました。チームは、各センサーから読み取り値を収集して、各タスク中にグローブ全体の圧力マップを作成しました。マップは、各タスク中に生成された圧力の明確で詳細なパターンを明らかにしました。

チームは、手袋を使用して、ペンで書く、他の家庭用品を扱うなど、他のタスクの圧力パターンを特定することを計画しています。最終的に、彼らは、そのような触覚補助具が、運動機能障害のある患者が手の器用さと握力を調整および強化するのに役立つ可能性があると考えています。

「いくつかの細かい運動技能は、物体の扱い方だけでなく、どれだけの力を加える必要があるかを知る必要があります」とファングは言いました。 「この手袋は、脳卒中やその他の神経学的状態から回復している患者と比較して、対照群の把持力のより正確な測定値を提供する可能性があります。これにより、理解が深まり、制御が可能になります。」