當(dāng)你拿起一個(gè)氣球時(shí)，握住它的壓力不同于你抓住一個(gè)罐子所施加的壓力?，F(xiàn)在麻省理工學(xué)院和其他地方的工程師有一種方法可以精確測(cè)量和繪制這種觸覺(jué)靈活性的微妙之處。

麻省理工學(xué)院的一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型觸摸感應(yīng)手套，可以“感受”壓力和其他觸覺(jué)刺激。手套的內(nèi)襯布滿了內(nèi)核大小的小電極，可以感應(yīng)和繪制壓力的細(xì)微變化。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型觸感手套，可以"感受"壓力和其他觸覺(jué)刺激。手套內(nèi)部集成一個(gè)傳感器系統(tǒng)，可以檢測(cè)、測(cè)量并映射手套上的微小壓力變化。各個(gè)傳感器高度協(xié)調(diào)，可以拾取皮膚上非常微弱的振動(dòng)，例如人的脈搏。

當(dāng)受試者戴上手套拿起氣球而不是燒杯時(shí)，傳感器會(huì)生成針對(duì)每項(xiàng)任務(wù)的壓力圖。握住氣球會(huì)在整個(gè)手掌上產(chǎn)生相對(duì)均勻的壓力信號(hào)，而握住燒杯會(huì)在指尖產(chǎn)生更大的壓力。

研究人員表示，觸覺(jué)手套可以幫助中風(fēng)或其他精細(xì)運(yùn)動(dòng)疾病患者重新訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)功能和協(xié)調(diào)能力。手套也可能適用于增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)和游戲體驗(yàn)。該團(tuán)隊(duì)設(shè)想將壓力傳感器不僅集成到觸覺(jué)手套中，而且集成到柔性粘合劑中，以比智能手表和其他可穿戴顯示器更準(zhǔn)確地跟蹤脈搏、血壓和其他生命體征。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授Nicholas Fang說(shuō)："我們的傳感結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性和可靠性為各種醫(yī)療保健應(yīng)用提供了廣闊的前景，例如脈搏檢測(cè)和觸覺(jué)功能障礙患者的感覺(jué)能力恢復(fù)。"

Nicholas Fang和他的合作者在今天發(fā)表在《Nature Communications》上的一項(xiàng)研究中詳細(xì)介紹了他們的結(jié)果。該研究的合著者包括麻省理工學(xué)院Huifeng Du和Liu Wang，以及中國(guó)南方科技大學(xué)(SUSTech)郭傳飛教授的小組。

用汗水感知

手套的壓力傳感器在原理上類似于測(cè)量濕度的傳感器。這些傳感器用于HVAC系統(tǒng)、冰箱和氣象站，被設(shè)計(jì)為小型電容器，帶有兩個(gè)電極或金屬板，夾在橡膠狀“電介質(zhì)”材料之間，可在兩個(gè)電極之間傳輸電荷。

在潮濕條件下，介電層充當(dāng)海綿，從周圍的水分中吸收帶電離子。這種離子的添加會(huì)改變電極之間的電容或電荷量，這種方式可以量化并轉(zhuǎn)換為濕度測(cè)量值。

近年來(lái)，研究人員已經(jīng)將這種電容夾層結(jié)構(gòu)用于設(shè)計(jì)薄而靈活的壓力傳感器。這個(gè)想法是相似的：當(dāng)傳感器受到擠壓時(shí)，其介電層中的電荷平衡會(huì)發(fā)生變化，這種方式可以被測(cè)量并轉(zhuǎn)換為壓力。但是大多數(shù)壓力傳感器中的介電層相對(duì)龐大，限制了它們的靈敏度。

對(duì)于他們的新觸覺(jué)傳感器，麻省理工學(xué)院和南科大團(tuán)隊(duì)摒棄了傳統(tǒng)的介電層，取而代之的是一種令人驚訝的成分：人體汗液。由于汗液中天然含有鈉和氯等離子，他們推斷這些離子可以作為介電替代物。他們?cè)O(shè)想了兩個(gè)薄而扁平的電極，而不是三明治結(jié)構(gòu)，放置在皮膚上以形成具有一定電容的電路。如果對(duì)一個(gè)“感應(yīng)”電極施加壓力，來(lái)自皮膚天然水分的離子會(huì)積聚在下面，并改變兩個(gè)電極之間的電容，達(dá)到他們可以測(cè)量的程度。

他們發(fā)現(xiàn)他們可以通過(guò)用微小的、彎曲的、導(dǎo)電的毛發(fā)覆蓋其底部來(lái)提高傳感電極的靈敏度。每根頭發(fā)都將作為主電極的微觀延伸，這樣，如果對(duì)電極的某個(gè)角落施加壓力，該特定區(qū)域的頭發(fā)會(huì)相應(yīng)彎曲，并從皮膚中積聚離子，程度和位置可以精確測(cè)量和映射。

壓力微柱電極

在他們的新研究中，該團(tuán)隊(duì)制造了細(xì)長(zhǎng)的、內(nèi)核大小的傳感電極，內(nèi)襯數(shù)千根金微細(xì)絲或“微柱”。他們證明他們可以準(zhǔn)確地測(cè)量微柱群響應(yīng)各種力和壓力而彎曲的程度。當(dāng)他們將感應(yīng)電極和控制電極放在志愿者的指尖上時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)非常敏感。傳感器能夠捕捉到人脈搏中的微妙階段，例如同一周期中的不同峰值。他們還可以保持準(zhǔn)確的脈搏讀數(shù)，即使佩戴傳感器的人在穿過(guò)房間時(shí)揮手。

“脈沖是一種機(jī)械振動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致皮膚變形，我們感覺(jué)不到，但柱子可以感覺(jué)到?！盢icholas Fang說(shuō)。

然后，研究人員將他們新的微柱壓力傳感器的概念應(yīng)用于高靈敏度觸覺(jué)手套的設(shè)計(jì)。他們從團(tuán)隊(duì)購(gòu)買的現(xiàn)成絲綢手套開(kāi)始。為了制造壓力傳感器，他們從碳布上剪下小方塊，碳布是一種由許多類似于微柱的細(xì)絲組成的紡織品。

他們通過(guò)噴灑金(一種天然導(dǎo)電金屬)將每個(gè)布方塊變成感應(yīng)電極。然后他們將布電極粘在手套內(nèi)襯的各個(gè)部分，包括指尖和手掌，并在整個(gè)手套中穿入導(dǎo)電纖維，將每個(gè)電極連接到手套的手腕，研究人員在那里粘上控制電極。

幾名志愿者輪流戴著觸覺(jué)手套并執(zhí)行各種任務(wù)，包括拿著氣球和握住玻璃燒杯。該團(tuán)隊(duì)從每個(gè)傳感器收集讀數(shù)，以在每個(gè)任務(wù)期間創(chuàng)建整個(gè)手套的壓力圖。這些地圖揭示了每項(xiàng)任務(wù)期間產(chǎn)生的不同且詳細(xì)的壓力模式。

該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用手套來(lái)識(shí)別其他任務(wù)的壓力模式，例如用鋼筆書寫和處理其他家用物品。最終，他們?cè)O(shè)想這種觸覺(jué)輔助工具可以幫助運(yùn)動(dòng)功能障礙患者校準(zhǔn)和加強(qiáng)手的靈活性和抓地力。

“一些精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能不僅需要知道如何處理物體，還需要知道應(yīng)該施加多大的力?！盢icholas Fang說(shuō)?！芭c從中風(fēng)或其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病中康復(fù)的患者相比，這款手套可以為我們提供更準(zhǔn)確的握力測(cè)量值。這可以增加我們的理解并實(shí)現(xiàn)控制。”