Insinyur MIT Mengembangkan Sarung Tangan Sentuh Canggih untuk Pemetaan Taktil Presisi
Saat Anda mengangkat balon, tekanan untuk memegangnya berbeda dari yang akan Anda berikan untuk menggenggam ember. Dan sekarang insinyur di MIT dan tempat lain memiliki cara untuk mengukur dan memetakan dengan presisi hal-hal halus seperti itu dari kekangkahan taktil.
Tim telah merancang sarung tangan sentuh baru yang dapat "merasakan" tekanan dan rangsangan taktil lainnya. Dalam sarung tangan terbenam sistem sensor yang mendeteksi, mengukur, dan memetakan perubahan kecil dalam tekanan di seluruh sarung tangan. Sensor individu sangat sensitif dan dapat menangkap getaran sangat lemah di seluruh kulit, seperti dari detak jantung seseorang.
Saat subjek memakai sarung tangan saat mengambil balon versus beaker, sensor menghasilkan peta tekanan spesifik untuk setiap tugas. Memegang balon menghasilkan sinyal tekanan yang relatif merata di seluruh telapak tangan, sementara menggenggam beaker menciptakan tekanan yang lebih kuat di ujung jari.
Peneliti mengatakan sarung tangan taktil dapat membantu untuk melatih ulang fungsi motor dan koordinasi pada orang yang mengalami stroke atau kondisi motor halus lainnya. Sarung tangan juga dapat disesuaikan untuk meningkatkan pengalaman realitas virtual dan game. Tim membayangkan integrasi sensor tekanan tidak hanya ke dalam sarung tangan taktil tetapi juga ke dalam perekat lentur untuk melacak detak jantung, tekanan darah, dan tanda vital lainnya dengan lebih akurat dibandingkan jam tangan pintar dan pemantau dapat ditekan lainnya.
"Kesederhanaan dan keandalan struktur sensori kami menjanjikan banyak aplikasi perawatan kesehatan, seperti deteksi detak jantung dan pemulihan kemampuan sensoris pada pasien dengan disfungsi taktil," kata Nicholas Fang, profesor insinyur mekanik di MIT.
Sensor tekanan sarung tangan serupa dalam prinsip dengan sensor yang mengukur kelembaban. Sensor ini, yang ditemukan dalam sistem HVAC, lemari es, dan stasiun cuaca, dirancang sebagai kapasitor kecil, dengan dua elektroda, atau plate logam, yang menyandwich bahan "dielektrik" getah yang menggeser muatan listrik di antara dua elektroda.
Dalam kondisi lembap, lapisan dielektrik bertindak seperti spons untuk menyerap ion bermuatan dari kelembaban sekitar. Penambahan ion ini mengubah kapasitansi, atau jumlah muatan di antara elektroda, dengan cara yang dapat dikuantifikasi dan diubah menjadi pengukuran kelembaban.
Dalam beberapa tahun terakhir, peneliti telah menyesuaikan struktur sandwich kapasitif ini untuk desain sensor tekanan tipis, lentur. Ide serupa: Ketika sensor ditekan, keseimbangan muatan dalam lapisan dielektrik berubah dengan cara yang dapat diukur dan diubah menjadi sinyal tekanan. Namun lapisan dielektrik dalam sebagian besar sensor tekanan relatif besar, membatasi sensitivitasnya.
Untuk sensor taktil baru mereka, tim mengakhiri lapisan dielektrik konvensional untuk bahan alami yang mengejutkan: keringat manusia. Karena keringat secara alami mengandung ion seperti sodium dan klorida, mereka beralasan bahwa ion ini dapat berfungsi sebagai pengganti dielektrik. Daripada struktur sandwich, mereka membayangkan dua elektroda tipis, datar, yang ditempatkan di kulit untuk membentuk rangkaian dengan kapasitansi tertentu. Jika tekanan diterapkan pada satu elektroda "sensing," ion dari kelembaban alami kulit akan menyelimuti di bawah, dan mengubah kapasitansi di antara kedua elektroda, dengan jumlah yang dapat diukur.
Mereka menemukan bahwa mereka dapat meningkatkan sensitivitas elektroda sensing dengan menutupi bagian bawahnya dengan hutan rambut konduktif kecil, lentur. Setiap rambut akan berfungsi sebagai ekstensi mikroskopik dari elektroda utama, sehingga, jika tekanan diterapkan pada, misalnya, sudut elektroda, rambut di wilayah tertentu tersebut akan membengkok sebagai respons, dan menyelimuti ion dari kulit, derajat dan lokasi yang dapat diukur dan dipetakan dengan presisi.
Dalam studi baru mereka, tim memproduksi elektroda sensing tipis seukuran biji jagung dilapisi dengan ribuan filamen mikro emas, atau "micropillars." Mereka mendemonstrasikan bahwa mereka dapat mengukur dengan seberapa besar kelompok micropillars membengkak sebagai respons terhadap berbagai gaya dan tekanan. Ketika mereka menempatkan elektroda sensing dan elektroda kontrol di ujung jari relawan, mereka menemukan struktur sangat sensitif. Sensor mampu menangkap fase halus dalam detak jantung seseorang, seperti puncak yang berbeda dalam satu siklus yang sama. Mereka juga dapat tetap membaca detak jantung yang akurat, bahkan saat orang yang memakai sensor melambaikan tangan saat berjalan melewati ruangan.
"Detak jantung adalah getaran mekanis yang juga dapat menyebabkan deformasi kulit, yang tidak dapat kita rasakan, tetapi pilar dapat menangkap," kata Fang.
Peneliti kemudian menerapkan konsep dari sensor tekanan micropillars baru mereka ke dalam desain sarung tangan taktil yang sangat sensitif. Mereka memulai dengan sarung tangan sutra, yang dibeli tim dari rak. Untuk membuat sensor tekanan, mereka memotong persegi kecil dari kain karbon, tekstil yang terdiri dari banyak filamen tipis mirip micropillars.
Mereka mengubah setiap persegi kain menjadi elektroda sensing dengan menyemprotkan emas, logam konduktif alami. Kemudian mereka melekatkan elektroda kain ke berbagai bagian lapisan dalam sarung tangan, termasuk ujung jari dan telapak tangan, dan menancapkan serat konduktif di seluruh sarung tangan untuk menghubungkan setiap elektroda ke pergelangan tangan sarung tangan, di mana peneliti melekatkan elektroda kontrol.
Beberapa relawan bergantian memakai sarung tangan taktil dan melakukan berbagai tugas, termasuk memegang balon dan menggenggam beaker kaca. Tim mengumpulkan bacaan dari setiap sensor untuk menciptakan peta tekanan di seluruh sarung tangan selama setiap tugas. Peta tersebut mengungkapkan pola tekanan yang berbeda dan detail yang dihasilkan selama setiap tugas.
Tim berencana menggunakan sarung tangan untuk mengidentifikasi pola tekanan untuk tugas lain, seperti menulis dengan pena dan menangani objek rumah tangga lainnya. Akhirnya, mereka membayangkan alat bantu taktil semacam ini dapat membantu pasien dengan disfungsi motor untuk menyesuaikan dan memperkukuh kekangkahan dan gerakan pegangan tangan mereka.
"Beberapa keterampilan motor halus memerlukan tidak hanya mengetahui cara menangani objek, tetapi juga seberapa besar gaya yang harus diberikan," kata Fang. "Sarung tangan ini dapat memberikan pengukuran gaya pegangan yang lebih akurat untuk kelompok kontrol versus pasien yang pulih dari stroke atau kondisi neurologis lainnya. Ini dapat meningkatkan pemahaman dan memungkinkan kontrol."
