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Cuando levanta un globo, la presión para sostenerlo es diferente de la presión que aplicaría para agarrar un frasco. Y ahora los ingenieros del MIT y otros lugares tienen una forma de medir y mapear con precisión estas complejidades de la destreza táctil.
El equipo diseñó un nuevo guante táctil que puede "sentir" la presión y otros estímulos táctiles. El interior del guante cuenta con un sistema de sensores que detecta, mide y mapea pequeños cambios de presión en el guante. Los sensores individuales están muy adaptados y pueden captar vibraciones muy bajas a través de la piel, como las del 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 de la tarea. Sostener un globo produjo una señal de presión relativamente uniforme en toda la palma, mientras que agarrar un vaso de precipitados creó más presión 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 tenido 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 planea integrar los sensores de presión no solo en guantes de pantalla táctil, 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 variedad de aplicaciones de atención médica, como la detección del pulso y la recuperación sensorial en pacientes con disfunción táctil", afirma Nicholas Fang, profesor de ingeniería mecánica en el MIT.
Fang y sus colegas detallan sus hallazgos en un estudio publicado hoy en Comunicación de la naturaleza. Los coautores del estudio incluyen a Huifeng Du y Liu Wang en el MIT, así como al grupo del profesor Chuanfei Guo en la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur (SUSTech) en China.
Sensación de sudor
Los sensores de presión de los guantes 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 material "dieléctrico" gomoso que transporta las cargas 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 puede cuantificarse y convertirse en una medida de 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 carga en su capa dieléctrica cambia, de una manera que se puede medir y convertir en presión. Pero la capa dieléctrica de la mayoría de los sensores de presión es relativamente grande, lo que limita su sensibilidad.
Para sus nuevos sensores táctiles, el equipo de MIT y SUSTech han eliminado la capa dieléctrica convencional en favor de un ingrediente sorprendente: el sudor humano. Dado que el sudor contiene naturalmente iones como sodio y cloruro, sintieron que estos iones podrían servir como sustitutos dieléctricos. En lugar de una estructura de sándwich, imaginaron dos electrodos delgados y planos, colocados sobre la piel para formar un circuito con cierta capacidad. Si se aplicara presión a un electrodo "sensorial", los iones de la humedad natural de la piel se acumularían en la parte inferior y cambiarían la capacitancia entre los dos electrodos, en una cantidad que podrían medir.
Descubrieron que podían aumentar la sensibilidad del electrodo sensor cubriendo su parte inferior con un bosque de pelos conductores diminutos, curvos. Cada cabello serviría como una extensión microscópica del electrodo principal, de modo que si se aplicara presión, por ejemplo, en una esquina del electrodo, el cabello en esa región específica se doblaría en respuesta y acumularía iones de la piel, el grado y el cuya ubicación podría medirse y cartografiarse con precisión.
Pilares de presión
En su nuevo estudio, el equipo fabricó electrodos de detección delgados del tamaño de un núcleo revestidos con miles de filamentos de oro microscópicos o "micropilares". Han demostrado que pueden medir con precisión el grado de curvatura de grupos de micropilares 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 pudieron captar fases sutiles del pulso de la persona, como diferentes picos durante el mismo ciclo. También podían mantener lecturas de pulso precisas, incluso cuando la persona que usaba los sensores agitaba las manos al cruzar una habitación.
“El pulso es una vibración mecánica que también puede causar deformaciones 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 en la estantería. Para hacer sensores de presión, cortaron pequeños cuadrados de tela de carbono, un tejido compuesto por muchos filamentos finos similares a los micropilares.
Convirtieron cada cuadrado de tejido en un electrodo sensor rociándolo con oro, un metal conductor natural. Luego pegaron los electrodos de tela a varias partes del forro interior del guante, incluidas las yemas de los dedos y las palmas, y enhebraron fibras conductoras a lo largo del guante para conectar cada electrodo al puño del guante, donde los investigadores pegaron un electrodo de control.
Varios voluntarios se turnaron para usar el guante de la pantalla táctil y realizar varias 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 a través del guante durante cada tarea. Los mapas revelaron modelos de presión distintos y detallados 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 artículos del hogar. En última instancia, imaginan que tales ayudas táctiles podrían ayudar a los pacientes con disfunción motora a calibrar y fortalecer la destreza y el agarre de sus manos.
“Algunas habilidades motoras finas requieren no solo saber cómo manejar objetos, sino también saber qué fuerza se debe ejercer”, explica 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 u otros trastornos neurológicos. Podría aumentar nuestra comprensión y permitir el control.
Esta investigación fue financiada, en parte, por el Centro Conjunto de Investigación y Educación en Ingeniería Mecánica del MIT y SUSTech.
