Технології
Технології

Рукавичка побачила різницю у дотику до повітряної кульки і склянки

Об'єднанню інженерів з Массачусетського технологічного інституту та Південного науково-технологічного університету Китаю вдалося створити сенсорну рукавичку, що здатна відчувати тактильні подразники та передавати відчуття тому, хто її носить. Система датчиків вимірює найменші зміни тиску та формує мапу, яка допоможе орієнтуватися у тактильних відчуттях. Для цього вченим знадобився людський піт. Рукавичку можна використовувати для відновлення координації у людей, що втратили моторні навички, для моніторингу параметрів здоров'я, а також для покращення ігрових якостей у віртуальній реальності. Свою розробку вчені представили у Nature Communications.

Pang Zhu et al.

Pang Zhu et al.

Навіщо записувати дотик через рукавичку?

Своїм сенсорним функціям ми завдячуємо великій кількості рецепторів, що реагують на подразники: пов'язані з дотиком механорецептори, із болем ноцирецептори та з температурою терморецептори. Приблизно за таким пошаровим принципом намагаються імітувати дотик і у електронних пристроях, викладаючи електроди під п'єзорезистивними, діелектричними або п'єзоелектричними шарами. Однак таким чином пристрої страждають від складного процесу виробництва матеріалів та необхідності додаткового захисту для підтримки функціонального середовища.

Багатошарові структури, наприклад покликані вимірювати тиск або інші фізіологічні сигнали, втрачають точність через наявність епідермального бар'єра — рогового шару шкіри. Також при записі високоякісного сигналу з натільних електронних датчиків часто виникають шуми, пов'язані зі зміщенням електродів. І, наприклад, ваш розумний годинник, вимірюючи частоту серцевих скорочень в реальному часі за допомогою фотоплетизмографічних сенсорів (з використанням випромінювання і фоторезистора), помиляється тому, що іноді погано контактує з вами і не може вберегтися від зовнішніх чинників.

До чого вченим піт?

Інтерфейс електрод-шкіра насправді носить іонно-електронний характер: електрони і іони розділяються без електрохімічної реакції за додавання невеликої напруги, а ємність пропорційна площі міжфазного контакту між електродом і електролітом. Шкіра є вологим середовищем завдяки наявності потових залоз і пористості рогового шару, який постійно зволожений. А піт містить безліч іонів, як-то Na+та Cl-, що збільшує іонну провідність рогового шару, тож очевидно, що це потрібно якось використати. Це вже природний іонно-електронний інтерфейс, який у тому числі і використовують для реєстрації і стимуляції електродермальних сигналів, однак, досі не спробували використати для тактильного сприйняття.

Так металевий електрод, контактуючи зі шкірою, набуває завдяки поту більшої провідності, адже потоки іонів сприяють руху вільних електронів. Цей механізм лежить в основі розробленої дослідниками механочутливої структури шкірних електродів (skin-electrode mechanosensing structure, SEMS), що складається всього з трьох компонентів: двох електродів і шкіри. Сенсор продемонстрував високу роздільну здатність для реєстрації тиску і здатний відчувати дотик та виявляти слабкі фізіологічні сигнали, такі як пульс на кінчиках пальців, при різній вологості шкіри.

Cенсор відчуває дотик одного з добровольців до власних пальців/ Pang Zhu et al.

Cенсор відчуває дотик одного з добровольців до власних пальців/ Pang Zhu et al.

Що відчула рукавичка?

Інтелектуальна рукавичка на основі SEMS містить 65 чутливих елементів, що покривають всі пальці і долоню, з вищою щільністю чутливих електродів на кінчиках пальців, що реєструватимуть зміни створеного ними електричного поля, вплив на ємність між електродами. Загалом датчики тиску у рукавичках схожі на датчики, що вимірюють вологу, у вигляді невеликих конденсаторів з двома електродами, які обмінюються електричними зарядами. До них вчені додали масив гнучких провідних «волосків», які по суті є продовженням основного електрода, та допомагають йому фіксувати тиск, навіть якщо він прикладений під кутом. Вони будуть згинатися у відповідь і накопичувати іони зі шкіри, ступінь і місце розташування яких можна було точно виміряти і нанести на мапу дотику. Також тканину обробили золотом і з'єднали кожен електрод з зап'ястям рукавички, де дослідники приклеїли контрольний електрод, щоб на SEMS не впливали зміни від дихання або розмови. Кілька добровольців по черзі одягали тактильну рукавичку і виконували різні завдання, як-то потримати повітряну кульку чи склянку. Далі команда інженерів зібрала свідчення кожного датчика, щоб створити карту тиску на рукавичці під час кожного завдання. Карти виявили чіткі і докладні моделі тиску, що виникають при виконанні кожного завдання. Коли випробовувані носили рукавичку, піднімаючи повітряну кульку, сенсори бачили рівномірно розподілений по всій долоні тиск, а от для взяття склянки знадобилося прикласти його більше на кінчиках пальців. Також рукавичка заміряла і пульс у 60 добровольців, що бігали десять хвилин сходами.

Pang Zhu et al.

Pang Zhu et al.

Вчені звертають увагу, що хоч імпульс кінчика пальця викликає крихітні зміни тиску, приблизно у десять паскаль (що набагато слабше, ніж пульс променевої артерії) і його складно виявляти наявними сенсорами, SEMS може визначити і навіть один паскаль. За словами досліднків, сенсор показав більш високу чутливість порівняно з подібними пристроями ємнісного типу, але важливо, що сигнал чутливих електродів може варіюватися в різних частинах тіла людини, як-то зап'ястя, пальці, долоні, суглоби пальців і передпліччя, де шкіра являє собою поверхню різної кривини і різних умов зволоження. Але перевагою таких іонно-електронних датчиків є їхня несприйнятливість до високочастотних електромагнітних перешкод — телефонний дзвінок на відстані одного сантиметра або сигнал WiFi жодним чином не вплинули на SEMS.Ці м'які електроди легко фіксуються на шкірі за допомогою плівки, а на відміну від складної конструкції існуючих електронних сенсорів, які мають шарувату структуру, SEMS є набагато простішим, з електродами, що викладають паралельно на поверхні шкіри, без використання будь-яких синтезованих іонних гелів або гідрогелів. За словами дослідників, подібна може допомогти відновити рухову функцію і координацію у людей, які перенесли інсульт або інше моторне захворювання. Або її можливо адаптувати для віртуальної реальності. Але команда вважає, що головний потенціал сенсора лежить у точнішому відстеженні пульсу, артеріального тиску та інших показників життєдіяльності, що замінить натільні пристрої або буде у них інтегрований.

Піт насправді є важливим компонентом, що допомагає організму з терморегуляцією, а вченим ще і є ресурсом для розробок. Так, наприклад, ми вже писали, що з поту навчилися виготовляти антиперспіранти, закупорюючи потові протоки мінералами від нього ж. Або ж його можна використати для моніторингу вашого самопочуття — вже з'явився прототип, що може виміряти рівень кортизолу у поті та діагностувати захворювання, пов’язані зі стресом.