Ingenieros del MIT desarrollan guante táctil avanzado para mapeo táctil preciso

Cuando recoges un globo, la presión para mantenerlo es diferente de la que ejercerías para agarrar un frasco. Y ahora ingenieros del MIT y otros lugares tienen una forma de medir y mapear con precisión tales sutilezas de destreza táctil.

El equipo ha diseñado un nuevo guante de detección táctil que puede «sentir» presión y otros estímulos táctiles. El interior del guante está hilado con un sistema de sensores que detecta, mide y mapea pequeños cambios de presión a través del guante. Los sensores individuales están altamente sintonizados y pueden captar vibraciones muy débiles a través de la piel, como el pulso de una persona.

Cuando los sujetos usaron el guante al recoger un globo versus un vaso, los sensores generaron mapas de presión específicos para cada tarea. Sostener un globo produjo una señal de presión relativamente uniforme en toda la palma, mientras que agarrar un vaso creó una presión más fuerte en las yemas de los dedos.

Los investigadores dicen que el guante táctil podría ayudar a reentrenar la función motora y coordinación en personas que han sufrido un ictus u otra condición motora fina. El guante también podría adaptarse para aumentar experiencias de realidad virtual y gaming. El equipo visualiza integrar los sensores de presión no solo en guantes táctiles sino también en adhesivos flexibles para rastrear pulso, presión arterial y otros signos vitales con más precisión que relojes inteligentes y otros monitores wearables.

«La simplicidad y fiabilidad de nuestra estructura de sensado tiene gran promesa para una diversidad de aplicaciones de salud, como detección de pulso y recuperación de la capacidad sensorial en pacientes con disfunción táctil», dice Nicholas Fang, profesor de ingeniería mecánica en MIT.

Los sensores de presión del guante son similares en principio a sensores que miden humedad. Estos sensores, encontrados en sistemas HVAC, refrigeradores y estaciones meteorológicas, están diseñados como pequeños capacitores, con dos electrodos, o placas metálicas, entre los que hay un material «dieléctrico» gomoso que transporta cargas eléctricas entre los dos electrodos.

En condiciones húmedas, la capa dieléctrica actúa como una esponja para absorber iones cargados de la humedad circundante. Esta adición de iones cambia la capacitancia, o cantidad de carga entre los electrodos, de una manera que puede cuantificarse y convertirse en una medición de humedad.

En años recientes, investigadores han adaptado esta estructura de sándwich capacitivo para el diseño de sensores de presión delgados y flexibles. La idea es similar: cuando un sensor se aprieta, el equilibrio de cargas en su capa dieléctrica cambia de una manera que puede medirse y convertirse en una señal de presión. Pero la capa dieléctrica en la mayoría de sensores de presión es relativamente voluminosa, limitando su sensibilidad.

Para sus nuevos sensores táctiles, el equipo eliminó la capa dieléctrica convencional a favor de un ingrediente sorprendente: el sudor humano. Como el sudor naturalmente contiene iones como sodio y cloruro, razonaron que estos iones podrían servir como sustitutos dieléctricos. En lugar de una estructura de sándwich, imaginaron dos electrodos planos y delgados, colocados en la piel para formar un circuito con una cierta capacitancia. Si se aplicaba presión a un electrodo de «sensado», los iones de la humedad natural de la piel se acumularían en el reverso, y cambiarían la capacitancia entre ambos electrodos, en una cantidad que podían medir.

Descubrieron que podían aumentar la sensibilidad del electrodo de sensado cubriendo su reverso con un bosque de pequeños pelos conductores y flexibles. Cada pelo serviría como una extensión microscópica del electrodo principal, de modo que, si se aplicaba presión a, digamos, una esquina del electrodo, los pelos en esa región específica se doblarían en respuesta, y acumularían iones de la piel, el grado y ubicación de los cuales podían medirse y mapearse con precisión.

En su nuevo estudio, el equipo fabricó electrodos de sensado delgados y del tamaño de un grano revestidos con miles de filamentos microscópicos de oro, o «micropilares». Demostraron que podían medir con precisión el grado en que grupos de micropilares se doblaban en respuesta a diversas fuerzas y presiones. Cuando colocaron un electrodo de sensado y un electrodo de control en la yema del dedo de un voluntario, encontraron que la estructura era altamente sensible. Los sensores pudieron captar fases sutiles en el pulso de la persona, como diferentes picos en el mismo ciclo. También pudieron mantener lecturas precisas de pulso, incluso mientras la persona que llevaba los sensores agitaba las manos mientras caminaba por una habitación.

«El pulso es una vibración mecánica que también puede causar deformación de la piel, que no podemos sentir, pero los pilares pueden captar», dijo Fang.

Los investigadores luego aplicaron los conceptos de su nuevo sensor de presión con micropilares al diseño de un guante táctil altamente sensible. Comenzaron con un guante de seda, que el equipo compró en el mercado. Para hacer sensores de presión, recortaron pequeños cuadrados de tela de carbono, un textil compuesto de muchos filamentos delgados similares a micropilares.

Convirtieron cada cuadrado de tela en un electrodo de sensado rociándolo con oro, un metal naturalmente conductor. Luego pegaron los electrodos de tela a varias partes del forro interior del guante, incluyendo las yemas de los dedos y las palmas, e hilvanaron fibras conductoras a lo largo del guante para conectar cada electrodo a la muñeca del guante, donde los investigadores pegaron un electrodo de control.

Varios voluntarios se turnaron para usar el guante táctil y realizar varias tareas, incluyendo sostener un globo y agarrar un vaso 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 patrones distintos y detallados de presión 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 objetos domésticos. En última instancia, visualizan que tales ayudas táctiles podrían ayudar a pacientes con disfunción motora a calibrar y fortalecer su destreza y agarre.

«Algunas habilidades motoras finas requieren no solo saber cómo manejar objetos, sino también cuánta fuerza se debe ejercer», dijo Fang. «Este guante podría proporcionarnos mediciones más precisas de fuerza de agarre para grupos de control versus pacientes recuperándose de ictus u otras condiciones neurológicas. Esto podría aumentar nuestra comprensión y permitir el control.»