Cuando levanta un globo, la presión para sujetarlo es diferente de la que ejercería para agarrar un frasco. Y ahora los ingenieros del MIT y otros lugares tienen una forma de medir y mapear con precisión tales sutilezas de la destreza táctil.
El equipo ha diseñado un nuevo guante sensible al tacto que puede "sentir" la presión y otros estímulos táctiles. El interior del guante está roscado con un sistema de sensores que detecta, mide y mapea pequeños cambios en la presión a través del guante.Los sensores individuales están altamente sintonizados y pueden captar vibraciones muy débiles a través de la piel, como el pulso de una persona.
Cuando los sujetos usaban el guante mientras levantaban un globo en lugar de un vaso de precipitados, los sensores generaban mapas de presión específicos para cada tarea. Sostener un globo producía una señal de presión relativamente uniforme en toda la palma, mientras que agarrar un vaso de precipitados creaba una presión más fuerte en las yemas de los dedos..
Los investigadores dicen que el guante táctil podría ayudar a reentrenar la función motora y la coordinación en personas que han sufrido un derrame cerebral u otra condición motora fina. El guante también podría adaptarse para aumentar la realidad virtual y las experiencias de juego. El equipo prevé integrar los sensores de presiónno solo en guantes táctiles, sino también en adhesivos flexibles para rastrear el pulso, la presión arterial y otros signos vitales con mayor precisión que los relojes inteligentes y otros monitores portátiles.
"La simplicidad y confiabilidad de nuestra estructura de detección es muy prometedora para una diversidad de aplicaciones de atención médica, como la detección del pulso y la recuperación de la capacidad sensorial en pacientes con disfunción táctil", dice Nicholas Fang, profesor de ingeniería mecánica en el MIT.
Fang y sus colaboradores detallan sus resultados en un estudio que aparece hoy en Comunicaciones de la naturaleza . Los coautores del estudio incluyen a Huifeng Du y Liu Wang en el MIT, junto con el grupo del profesor Chuanfei Guo en la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur SUSTech en China.
Detectando con sudor
Los sensores de presión del guante son similares en principio a los sensores que miden la humedad. Estos sensores, que se encuentran en los sistemas HVAC, refrigeradores y estaciones meteorológicas, están diseñados como pequeños condensadores, con dos electrodos o placas de metal, intercalando un "dieléctrico" de gomamaterial que transporta cargas eléctricas entre los dos electrodos.
En condiciones de humedad, la capa dieléctrica actúa como una esponja para absorber los iones cargados de la humedad circundante. Esta adición de iones cambia la capacitancia, o la cantidad de carga entre los electrodos, de una manera que se puede cuantificar y convertir en una medidade humedad.
En los últimos años, los investigadores han adaptado esta estructura sándwich capacitiva para el diseño de sensores de presión delgados y flexibles. La idea es similar: cuando se aprieta un sensor, el equilibrio de cargas en su capa dieléctrica cambia, de una manera que puede sermedido y convertido a presión. Pero la capa dieléctrica en la mayoría de los sensores de presión es relativamente voluminosa, lo que limita su sensibilidad.
Para sus nuevos sensores táctiles, el equipo de MIT y SUSTech eliminaron la capa dieléctrica convencional en favor de un ingrediente sorprendente: el sudor humano. Como el sudor contiene naturalmente iones como sodio y cloruro, razonaron que estos iones podrían servir como dieléctricossustitutos. En lugar de una estructura de sándwich, imaginaron dos electrodos delgados y planos, colocados en la piel para formar un circuito con una cierta capacitancia. Si se aplicaba presión a un electrodo "sensor", los iones de la humedad natural de la piel se acumularíanen la parte inferior, y cambie la capacitancia entre ambos electrodos, en una cantidad que puedan medir.
Descubrieron que podían aumentar la sensibilidad del electrodo sensor cubriendo su parte inferior con un bosque de pelos conductores diminutos y flexibles. Cada cabello serviría como una extensión microscópica del electrodo principal, de modo que, si se aplicara presión a, digamos,una esquina del electrodo, los pelos en esa región específica se doblarían en respuesta y acumularían iones de la piel, cuyo grado y ubicación podrían medirse y mapearse con precisión.
pilares de presión
En su nuevo estudio, el equipo fabricó electrodos sensores delgados del tamaño de un grano revestidos con miles de filamentos microscópicos de oro o "micropilares". Demostraron que podían medir con precisión el grado en que los grupos de micropilares se doblaban en respuesta a diversas fuerzas.y presiones. Cuando colocaron un electrodo sensor y un electrodo de control en la yema del dedo de un voluntario, encontraron que la estructura era muy sensible. Los sensores podían captar fases sutiles en el pulso de la persona, como diferentes picos en el mismo ciclo.también podía mantener lecturas de pulso precisas, incluso cuando la persona que usaba los sensores agitaba las manos mientras caminaba por una habitación.
"El pulso es una vibración mecánica que también puede causar deformación de la piel, que no podemos sentir, pero los pilares pueden levantarse", dice Fang.
Luego, los investigadores aplicaron los conceptos de su nuevo sensor de presión de micro pilares al diseño de un guante táctil de alta sensibilidad. Comenzaron con un guante de seda, que el equipo compró de fábrica. Para fabricar sensores de presión, cortaron pequeños cuadradosde tela de carbono, un tejido que se compone de muchos filamentos delgados similares a los micropilares.
Convirtieron cada cuadrado de tela en un electrodo sensor rociándolo con oro, un metal conductor natural. Luego pegaron los electrodos de tela en varias partes del revestimiento interior del guante, incluidas las yemas de los dedos y las palmas, y fibras conductoras enhebradas en todo el guante.para conectar cada electrodo a la muñeca del guante, donde los investigadores pegaron un electrodo de control.
Varios voluntarios se turnaron para usar el guante táctil y realizar diversas tareas, como sostener un globo y agarrar un vaso de precipitados de vidrio. El equipo recopiló lecturas de cada sensor para crear un mapa de presión en el guante durante cada tarea. Los mapas revelaron distintos y detalladospatrones de presión generados durante cada tarea.
El equipo planea usar el guante para identificar patrones de presión para otras tareas, como escribir con un bolígrafo y manipular otros objetos domésticos. En última instancia, imaginan que tales ayudas táctiles podrían ayudar a los pacientes con disfunción motora a calibrar y fortalecer su destreza manual ysujeción.
"Algunas habilidades motoras finas requieren no solo saber cómo manejar objetos, sino también cuánta fuerza se debe ejercer", dice Fang. "Este guante podría proporcionarnos mediciones más precisas de la fuerza de agarre para los grupos de control en comparación con los pacientes que se recuperan de un accidente cerebrovascular ootras afecciones neurológicas. Esto podría aumentar nuestra comprensión y permitir el control ".
Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Centro Conjunto de Investigación y Educación en Ingeniería Mecánica del MIT y SUSTech.
Hubble encuentra evidencia de vapor de agua en la luna de Júpiter, Ganímedes
Anatomía del planeta rojo: los terremotos de Marte revelan el interior
Hacer hidrógeno limpio es difícil, pero los investigadores acaban de resolver un gran obstáculo
La 'neuroprótesis' devuelve las palabras al hombre con parálisis
Los físicos dan un gran paso en la carrera hacia la computación cuántica
Los científicos espaciales revelan el secreto detrás de la 'crisis energética' de Júpiter