MIT開発の高精度触覚グローブ、医療診断への応用に期待

MITの新センサーは、指先の微小で高速な圧力変化を検知します。シルクグローブに配置されたスタッド状コンポーネントが、医師にとって貴重な情報を提供します。

皮膚表面の微細な振動を捉える高感度センサーの発明者たちは、単純な脈拍監視から複雑な運動機能回復まで、多様な患者支援に役立つ具体的な圧力マップを提供します。

マサチューセッツ州ケンブリッジ拠点のチームは、圧力センサーを触覚グローブだけでなく、心拍、血圧、その他のバイタルサインを追跡するフレキシブル接着剤への統合も構想しています。

「我々のセンシング構造のシンプルさと信頼性は、脈拍検知や触覚機能障害患者の感覚能力回復など、多様なヘルスケア応用に大きな可能性を秘めています」と、MIT機械工学教授Nicholas Fang氏は最近のニュースリリースで述べています。

圧力マップの作り方

MIT研究者たちは、グローブの内側に小さなカーネルサイズの検出器を並べ、圧力の微細な変化をマッピングするように設計しました。グローブは、保持物体に応じて特定の圧力レイアウト、つまりマップを生成します。

センサーグローブは、風船をつかむ場合とビーカーをつかむ場合の圧力差を登録しました。風船を持つと手のひら全体に比較的均一な圧力信号が生成される一方、ビーカーを把持すると指先に強い圧力が生じます。

チームは、ペンで書字する、その他の家庭用物体を扱うなど、他のタスクの圧力パターン特定にもグローブを使用する予定です。触覚支援は、運動機能障害患者が手の器用さと把持力をキャリブレーション・強化するのに役立つ可能性があるとFang教授は述べています。

「一部の微細運動スキルは、物体の扱い方を知るだけでなく、どれだけの力を加えるべきかを知ることも必要です」とFang教授。「このグローブは、対照群と脳卒中やその他の神経疾患から回復中の患者の把持力について、より正確な測定を提供できます。」

Fang氏と同僚たちは、Nature Communications掲載の研究で成果を詳述しています。共著者にはMITのHuifeng Du氏とLiu Wang氏、中国南方科技大学（SUSTech）のChuanfei Guo教授グループが含まれます。

微小なものを感知する

触覚センサーは、従来の誘電体層を驚くべき天然成分で置き換えています：人間の汗。汗にはナトリウムと塩化物イオンが含まれ、これらが蓄積して皮膚上に配置された2枚の薄い平板電極間の静電容量を変化させる力を持ちます。

MITチームは、センシング電極の感度を高めるため、微小で柔軟な導電性毛髪を多数追加しました。薄いカーネルサイズのセンシング電極は、実際には数千本の金微細フィラメント、つまり「マイクロピラー」で裏打ちされています。

研究では、Fang氏と発明者たちが、様々な力と圧力に対するマイクロピラー群の曲がり度合いを正確に測定できることを実証しました。

例えば電極の隅に圧力がかかると、その特定領域の毛髪が応答して曲がり、皮膚からのイオンが蓄積。その程度と位置を精密に測定・マッピングできます。

センサーは、同じサイクル内の異なるピークなど、人の脈拍の微細な位相を捉えることができました。

「脈拍は我々が感じられない皮膚変形を引き起こす機械的振動ですが、ピラーはそれを捉えられます」とFang氏。

以下のTech Briefsとの短いQ&Aで、Fang氏が脈拍以外の圧力マップの可能性についてさらに説明しています。

Tech Briefs： この技術で最も期待される応用または応用分野は何ですか？なぜこのグローブが重要だと考えますか？

Nicholas Fang教授： 高忠実度ハプティックフィードバックを繊維・テキスタイルに統合することで、触覚機能障害患者の感覚能力回復など、新規医療・ヘルスケアデバイス応用が開かれると期待します。VR/ARゲームやトレーニングも可能になるかもしれません。

Tech Briefs： なぜ圧力マップを取ることが重要なのですか？圧力マップが得られたら何ができますか？

Nicholas Fang教授： 動作アーティファクトに鈍感なスマートグローブで測定される高分解能圧力マップは、ポイントオブケア応用において手指の運動技能をより正確に評価できると考えます。我々のグローブは、パズル組み立て、ビーズ分類、カード折り、ボードゲーム、靴紐結びなどの活動中、手指の器用さを常時監視する機会を開きます。

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Tech Briefs： なぜ汗でセンシングする発想を？汗を使うメリット・デメリットは？

Nicholas Fang教授： まず明確にしておくと、生理的条件下で自然に潤った皮膚上の最小限の汗のみでグローブは動作し、これは満たされています。

センサー設計では、2つのアイデアから着想を得ました。

一つは、放浪クモなど昆虫に見られる長い毛センサー。驚異的な触覚と地面振動感知を持っています。

もう一つは、医療で広く適用されている皮膚電極セットアップ。ここでの革新は、規定変形するカーボンクロス、静電フロック加工PET（ポリエチレンテレフタレート）ピラーを水和皮膚と密着接触させ、これらフロックPETマイクロピラーを、印加力の微細な変化に卓越した感度を持つ圧力センシングデバイスとして機能させたことです。

Tech Briefs： このグローブで次に取り組むことは？

Nicholas Fang教授： 次は、スマートグローブ上で異なる材質のテクスチャー知覚を評価し、小さな物体の把持・操作に重要な人間の触覚をさらに拡張できるようにします。

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