麻省理工集成压力传感器研发感受压力及脉搏、血压的触感手套

当你拿起一个气球时，握住它的压力不同于你抓住一个罐子所施加的压力。现在麻省理工学院和其他地方的工程师有一种方法可以精确测量和绘制这种触觉灵活性的微妙之处。

麻省理工学院的一个工程师团队设计了一种新型触摸感应手套，可以“感受”压力和其他触觉刺激。手套的内衬布满了内核大小的小电极，可以感应和绘制压力的细微变化。

该团队设计了一种新型触感手套，可以"感受"压力和其他触觉刺激。手套内部集成一个传感器系统，可以检测、测量并映射手套上的微小压力变化。各个传感器高度协调，可以拾取皮肤上非常微弱的振动，例如人的脉搏。

当受试者戴上手套拿起气球而不是烧杯时，传感器会生成针对每项任务的压力图。握住气球会在整个手掌上产生相对均匀的压力信号，而握住烧杯会在指尖产生更大的压力。

研究人员表示，触觉手套可以帮助中风或其他精细运动疾病患者重新训练运动功能和协调能力。手套也可能适用于增强虚拟现实和游戏体验。该团队设想将压力传感器不仅集成到触觉手套中，而且集成到柔性粘合剂中，以比智能手表和其他可穿戴显示器更准确地跟踪脉搏、血压和其他生命体征。

麻省理工学院机械工程教授Nicholas Fang说："我们的传感结构的简单性和可靠性为各种医疗保健应用提供了广阔的前景，例如脉搏检测和触觉功能障碍患者的感觉能力恢复。"

Nicholas Fang和他的合作者在今天发表在《Nature Communications》上的一项研究中详细介绍了他们的结果。该研究的合著者包括麻省理工学院Huifeng Du和Liu Wang，以及中国南方科技大学(SUSTech)郭传飞教授的小组。

用汗水感知

手套的压力传感器在原理上类似于测量湿度的传感器。这些传感器用于HVAC系统、冰箱和气象站，被设计为小型电容器，带有两个电极或金属板，夹在橡胶状“电介质”材料之间，可在两个电极之间传输电荷。

在潮湿条件下，介电层充当海绵，从周围的水分中吸收带电离子。这种离子的添加会改变电极之间的电容或电荷量，这种方式可以量化并转换为湿度测量值。

近年来，研究人员已经将这种电容夹层结构用于设计薄而灵活的压力传感器。这个想法是相似的：当传感器受到挤压时，其介电层中的电荷平衡会发生变化，这种方式可以被测量并转换为压力。但是大多数压力传感器中的介电层相对庞大，限制了它们的灵敏度。

对于他们的新触觉传感器，麻省理工学院和南科大团队摒弃了传统的介电层，取而代之的是一种令人惊讶的成分：人体汗液。由于汗液中天然含有钠和氯等离子，他们推断这些离子可以作为介电替代物。他们设想了两个薄而扁平的电极，而不是三明治结构，放置在皮肤上以形成具有一定电容的电路。如果对一个“感应”电极施加压力，来自皮肤天然水分的离子会积聚在下面，并改变两个电极之间的电容，达到他们可以测量的程度。

他们发现他们可以通过用微小的、弯曲的、导电的毛发覆盖其底部来提高传感电极的灵敏度。每根头发都将作为主电极的微观延伸，这样，如果对电极的某个角落施加压力，该特定区域的头发会相应弯曲，并从皮肤中积聚离子，程度和位置可以精确测量和映射。

压力微柱电极

在他们的新研究中，该团队制造了细长的、内核大小的传感电极，内衬数千根金微细丝或“微柱”。他们证明他们可以准确地测量微柱群响应各种力和压力而弯曲的程度。当他们将感应电极和控制电极放在志愿者的指尖上时，他们发现该结构非常敏感。传感器能够捕捉到人脉搏中的微妙阶段，例如同一周期中的不同峰值。他们还可以保持准确的脉搏读数，即使佩戴传感器的人在穿过房间时挥手。

“脉冲是一种机械振动，也会导致皮肤变形，我们感觉不到，但柱子可以感觉到。”Nicholas Fang说。

然后，研究人员将他们新的微柱压力传感器的概念应用于高灵敏度触觉手套的设计。他们从团队购买的现成丝绸手套开始。为了制造压力传感器，他们从碳布上剪下小方块，碳布是一种由许多类似于微柱的细丝组成的纺织品。

他们通过喷洒金(一种天然导电金属)将每个布方块变成感应电极。然后他们将布电极粘在手套内衬的各个部分，包括指尖和手掌，并在整个手套中穿入导电纤维，将每个电极连接到手套的手腕，研究人员在那里粘上控制电极。

几名志愿者轮流戴着触觉手套并执行各种任务，包括拿着气球和握住玻璃烧杯。该团队从每个传感器收集读数，以在每个任务期间创建整个手套的压力图。这些地图揭示了每项任务期间产生的不同且详细的压力模式。

该团队计划使用手套来识别其他任务的压力模式，例如用钢笔书写和处理其他家用物品。最终，他们设想这种触觉辅助工具可以帮助运动功能障碍患者校准和加强手的灵活性和抓地力。

“一些精细运动技能不仅需要知道如何处理物体，还需要知道应该施加多大的力。”Nicholas Fang说。“与从中风或其他神经系统疾病中康复的患者相比，这款手套可以为我们提供更准确的握力测量值。这可以增加我们的理解并实现控制。”