MIT開発の高度触覚グローブ、精密な触覚マッピングを実現

風船を拾うときの保持圧力は、瓶を掴むときとは異なります。今、MITなどのエンジニアたちが、こうした触覚器用さの微妙な違いを精密に測定・マッピングする方法を開発しました。

チームは、圧力やその他の触覚刺激を「感じ取れる」新しい触覚グローブを設計しました。グローブの内側には、グローブ全体の微小な圧力変化を検知・測定・マッピングするセンサーシステムが通っています。個々のセンサーは高感度で、人の脈拍のような皮膚上の非常に弱い振動も捉えられます。

被験者がグローブを着けて風船とビーカーをそれぞれ拾ったとき、センサーは各タスク固有の圧力マップを生成しました。風船を持つと手のひら全体に比較的均一な圧力信号が現れ、ビーカーを把持すると指先に強い圧力が集中します。

研究者たちは、この触覚グローブが脳卒中やその他の微細運動障害を持つ人々の運動機能と協調性の再訓練に役立つ可能性があると述べています。また、グローブはVRやゲーム体験の拡張にも適応可能かもしれません。チームは、圧力センサーを触覚グローブだけでなく、脈拍、血圧、その他のバイタルサインをスマートウォッチなどの着用型モニターより正確に追跡するフレキシブル接着剤へ統合することも構想しています。

「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。

グローブの圧力センサーは、湿度を測定するセンサーと原理が似ています。これらのセンサーはHVACシステム、冷蔵庫、気象観測点などにあり、2つの電極（金属板）でゴム状の「誘電体」材料を挟んだ小型コンデンサとして設計され、2電極間で電荷を移動させます。

湿度が高いと、誘電体層がスポンジのように周囲の水分から帯電イオンを吸収します。このイオン追加により、電極間の静電容量（電荷量）が変化し、それを定量化して湿度測定に変換できます。

近年、研究者たちはこの容量サンドイッチ構造を薄型フレキシブル圧力センサー設計に適応させてきました。考え方は似ています：センサーが圧縮されると、誘電体層内の電荷バランスがシフトし、圧力信号として測定・変換可能な形で変化します。しかし、ほとんどの圧力センサーの誘電体層は比較的嵩張り、感度を制限しています。

新しい触覚センサーでは、チームは従来の誘電体層を捨て、驚きの成分を採用しました：人間の汗。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役を果たせると考えました。サンドイッチ構造ではなく、皮膚上に配置された2枚の薄い平板電極で、一定の静電容量を持つ回路を形成することを想定。一方の「センシング」電極に圧力がかかると、皮膚の自然な水分からイオンが裏面に蓄積し、両電極間の静電容量を測定可能な量で変化させます。

センシング電極の裏面を微小で柔軟な導電性毛髪の森で覆うことで、感度を高められることが判明。各毛髪はメイン電極の微小拡張として機能し、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。

新研究では、チームは数千本の金微細フィラメント「マイクロピラー」で裏打ちされた薄いカーネルサイズのセンシング電極を作製。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。センシング電極と制御電極をボランティアの指先に配置したところ、構造は高感度でした。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られました。手を振って部屋を歩き回る間も、正確な脈拍読み取りを維持できました。

「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。

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触覚グローブの設計に適用しました。市販のシルクグローブから開始。圧力センサーを作るため、カーボンクロス（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るテキスタイル）から小さな正方形を切り出しました。

各クロス正方形を金スプレーでコーティングし、天然導電性金属でセンシング電極に変換。クロス電極をグローブ内側の様々な部位（指先、手のひらなど）に接着し、導電性繊維をグローブ全体に通して各電極を手首部分のグローブ制御電極に接続しました。

複数のボランティアが触覚グローブを着用し、風船を持つ、ガラスビーカーを握るなど様々なタスクを実行。チームは各センサーからの読み取りを収集し、各タスク中のグローブ全体の圧力マップを作成。マップは、各タスクで生成される明確で詳細な圧力パターンを明らかにしました。

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。最終的には、このような触覚支援が運動機能障害患者の手の器用さと把持力のキャリブレーション・強化に役立つことを構想しています。

「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氏。「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。これにより理解が深まり、制御が可能になります。」