Esta luva sensível ao toque detecta e mapeia estímulos táteis

Quando você pega um balão, a pressão para segurá-lo é diferente da que você exerceria para segurar um frasco. E agora os engenheiros do MIT e de outros lugares têm uma maneira de medir e mapear com precisão essas sutilezas de destreza tátil.

A equipe projetou uma nova luva sensível ao toque que pode “sentir” pressão e outros estímulos táteis. O interior da luva é rosqueado com um sistema de sensores que detecta, mede e mapeia pequenas mudanças na pressão na luva. Os sensores individuais são altamente sintonizados e podem captar vibrações muito fracas na pele, como o pulso de uma pessoa.

Quando os sujeitos usavam a luva enquanto pegavam um balão versus um béquer, os sensores geravam mapas de pressão específicos para cada tarefa. Segurar um balão produzia um sinal de pressão relativamente uniforme em toda a palma da mão, enquanto segurar um béquer criava uma pressão mais forte na ponta dos dedos.

Os pesquisadores dizem que a luva tátil pode ajudar a treinar a função motora e a coordenação em pessoas que sofreram um derrame ou outra condição motora fina. A luva também pode ser adaptada para aumentar a realidade virtual e as experiências de jogo. A equipe prevê integrar os sensores de pressão não apenas em luvas táteis, mas também em adesivos flexíveis para rastrear pulso, pressão arterial e outros sinais vitais com mais precisão do que relógios inteligentes e outros monitores vestíveis.

“A simplicidade e confiabilidade de nossa estrutura de detecção é uma grande promessa para uma diversidade de aplicações de saúde, como detecção de pulso e recuperação da capacidade sensorial em pacientes com disfunção tátil”, diz Nicholas Fang, professor de engenharia mecânica do MIT.

Os sensores de pressão da luva são semelhantes em princípio aos sensores que medem a umidade. Esses sensores, encontrados em sistemas HVAC, refrigeradores e estações meteorológicas, são projetados como pequenos capacitores, com dois eletrodos, ou placas de metal, intercalando um material “dielétrico” emborrachado que transporta cargas elétricas entre os dois eletrodos.

Em condições úmidas, a camada dielétrica atua como uma esponja para absorver íons carregados da umidade circundante. Essa adição de íons altera a capacitância, ou quantidade de carga entre os eletrodos, de uma forma que pode ser quantificada e convertida em uma medida de umidade.

Nos últimos anos, os pesquisadores adaptaram essa estrutura de sanduíche capacitiva para o projeto de sensores de pressão finos e flexíveis. A ideia é semelhante:quando um sensor é comprimido, o equilíbrio de cargas em sua camada dielétrica muda de uma maneira que pode ser medida e convertida em um sinal de pressão. Mas a camada dielétrica na maioria dos sensores de pressão é relativamente volumosa, limitando sua sensibilidade.

Para seus novos sensores táteis, a equipe eliminou a camada dielétrica convencional em favor de um ingrediente surpreendente:o suor humano. Como o suor contém naturalmente íons como sódio e cloreto, eles raciocinaram que esses íons poderiam servir como substitutos dielétricos. Em vez de uma estrutura em sanduíche, eles imaginaram dois eletrodos finos e planos, colocados na pele para formar um circuito com uma certa capacitância. Se a pressão fosse aplicada a um eletrodo “sensor”, os íons da umidade natural da pele se acumulariam na parte inferior e alterariam a capacitância entre os dois eletrodos, em uma quantidade que eles pudessem medir.

Eles descobriram que poderiam aumentar a sensibilidade do eletrodo sensor cobrindo sua parte inferior com uma floresta de pelos minúsculos, flexíveis e condutores. Cada cabelo serviria como uma extensão microscópica do eletrodo principal, de modo que, se a pressão fosse aplicada a, digamos, um canto do eletrodo, os cabelos naquela região específica se curvariam em resposta e acumulariam íons da pele, o grau e localização dos quais poderiam ser medidos e mapeados com precisão.

Em seu novo estudo, a equipe fabricou eletrodos sensores finos do tamanho de um kernel revestidos com milhares de filamentos microscópicos de ouro, ou “micropilares”. Eles demonstraram que podiam medir com precisão o grau em que grupos de micropilares se dobravam em resposta a várias forças e pressões. Quando eles colocaram um eletrodo sensor e um eletrodo de controle na ponta do dedo de um voluntário, descobriram que a estrutura era altamente sensível. Os sensores foram capazes de captar fases sutis no pulso da pessoa, como diferentes picos no mesmo ciclo. Eles também podiam manter leituras precisas de pulso, mesmo enquanto a pessoa que usava os sensores acenava com as mãos enquanto atravessava uma sala.

“O pulso é uma vibração mecânica que também pode causar deformação da pele, que não podemos sentir, mas os pilares podem pegar”, disse Fang.

Os pesquisadores então aplicaram os conceitos de seu novo sensor de pressão micropilar ao design de uma luva tátil altamente sensível. Eles começaram com uma luva de seda, que a equipe comprou na prateleira. Para fazer sensores de pressão, eles recortam pequenos quadrados de tecido de carbono, um tecido composto de muitos filamentos finos semelhantes a micropilares.

Eles transformaram cada quadrado de pano em um eletrodo sensor pulverizando-o com ouro, um metal naturalmente condutor. Eles então colaram os eletrodos de pano em várias partes do revestimento interno da luva, incluindo as pontas dos dedos e as palmas das mãos, e enfiaram fibras condutoras em toda a luva para conectar cada eletrodo ao pulso da luva, onde os pesquisadores colaram um eletrodo de controle.

Vários voluntários se revezaram usando a luva tátil e realizando várias tarefas, incluindo segurar um balão e segurar um béquer de vidro. A equipe coletou leituras de cada sensor para criar um mapa de pressão na luva durante cada tarefa. Os mapas revelaram padrões distintos e detalhados de pressão gerados durante cada tarefa.

A equipe planeja usar a luva para identificar padrões de pressão para outras tarefas, como escrever com caneta e manusear outros objetos domésticos. Em última análise, eles imaginam que esses auxílios táteis podem ajudar pacientes com disfunção motora a calibrar e fortalecer sua destreza e aderência das mãos.

“Algumas habilidades motoras finas exigem não apenas saber como lidar com objetos, mas também quanta força deve ser exercida”, disse Fang. “Esta luva pode nos fornecer medições mais precisas da força de preensão para grupos de controle versus pacientes em recuperação de acidente vascular cerebral ou outras condições neurológicas. Isso pode aumentar nossa compreensão e permitir o controle.”