Ingénieurs MIT développent gant tactile avancé pour cartographie tactile précise

Quand vous prenez un ballon, la pression pour le tenir est différente de celle que vous exerceriez pour saisir un pot. Et maintenant, des ingénieurs du MIT et d'ailleurs ont un moyen de mesurer et cartographier avec précision de telles subtilités de dextérité tactile.

L'équipe a conçu un nouveau gant de détection tactile qui peut « ressentir » la pression et d'autres stimuli tactiles. L'intérieur du gant est parcouru par un système de capteurs qui détecte, mesure et cartographie de petits changements de pression à travers le gant. Les capteurs individuels sont hautement sensibles et peuvent capter de très faibles vibrations à travers la peau, comme le pouls d'une personne.

Quand des sujets portaient le gant en prenant un ballon versus un bécher, les capteurs ont généré des cartes de pression spécifiques à chaque tâche. Tenir un ballon a produit un signal de pression relativement uniforme sur toute la paume, tandis que saisir un bécher a créé une pression plus forte au bout des doigts.

Les chercheurs disent que le gant tactile pourrait aider à réentraîner la fonction motrice et la coordination chez les personnes ayant subi un AVC ou d'autres conditions motrices fines. Le gant pourrait aussi être adapté pour augmenter les expériences de réalité virtuelle et de jeu. L'équipe envisage d'intégrer les capteurs de pression non seulement dans des gants tactiles mais aussi dans des adhésifs flexibles pour suivre le pouls, la pression artérielle et d'autres signes vitaux plus précisément que les montres connectées et autres moniteurs portables.

« La simplicité et la fiabilité de notre structure de détection offrent une grande promesse pour une diversité d'applications de soins de santé, telles que la détection du pouls et la récupération de la capacité sensorielle chez les patients avec dysfonction tactile », dit Nicholas Fang, professeur de génie mécanique au MIT.

Les capteurs de pression du gant sont similaires en principe aux capteurs qui mesurent l'humidité. Ces capteurs, trouvés dans les systèmes CVC, réfrigérateurs et stations météo, sont conçus comme de petits condensateurs, avec deux électrodes, ou plaques métalliques, sandwichant un matériau « diélectrique » caoutchouteux qui navette les charges électriques entre les deux électrodes.

Dans des conditions humides, la couche diélectrique agit comme une éponge pour absorber les ions chargés de l'humidité environnante. Cette addition d'ions change la capacitance, ou quantité de charge entre les électrodes, d'une manière qui peut être quantifiée et convertie en une mesure d'humidité.

Ces dernières années, les chercheurs ont adapté cette structure de sandwich capacitif pour la conception de capteurs de pression minces et flexibles. L'idée est similaire : quand un capteur est pressé, l'équilibre des charges dans sa couche diélectrique se déplace d'une manière qui peut être mesurée et convertie en un signal de pression. Mais la couche diélectrique dans la plupart des capteurs de pression est relativement volumineuse, limitant leur sensibilité.

Pour leurs nouveaux capteurs tactiles, l'équipe a éliminé la couche diélectrique conventionnelle en faveur d'un ingrédient surprenant : la sueur humaine. Comme la sueur contient naturellement des ions tels que sodium et chlorure, ils ont raisonné que ces ions pourraient servir de substituts diélectriques. Au lieu d'une structure de sandwich, ils ont imaginé deux électrodes plates et minces, placées sur la peau pour former un circuit avec une certaine capacitance. Si de la pression était appliquée sur une électrode « de détection », les ions de l'humidité naturelle de la peau s'accumuleraient sur le dessous, et changeraient la capacitance entre les deux électrodes, d'un montant qu'ils pourraient mesurer.

Ils ont découvert qu'ils pouvaient augmenter la sensibilité de l'électrode de détection en recouvrant son dessous d'une forêt de minuscules poils conducteurs flexibles. Chaque poil servirait d'extension microscopique de l'électrode principale, de sorte que, si une pression était appliquée sur, disons, un coin de l'électrode, les poils dans cette région spécifique se plieraient en réponse, et accumuleraient des ions de la peau, le degré et la localisation desquels pourraient être mesurés et cartographiés avec précision.

Dans leur nouvelle étude, l'équipe a fabriqué de fines électrodes de détection de la taille d'un noyau doublées de milliers de filaments microscopiques d'or, ou « micropiliers ». Ils ont démontré qu'ils pouvaient mesurer avec précision le degré auquel les groupes de micropiliers se pliaient en réponse à diverses forces et pressions. Quand ils ont placé une électrode de détection et une électrode de contrôle sur le bout du doigt d'un volontaire, ils ont trouvé que la structure était hautement sensible. Les capteurs ont pu capter des phases subtiles dans le pouls de la personne, tels que différents pics dans le même cycle. Ils ont aussi pu maintenir des lectures de pouls précises, même pendant que la personne portant les capteurs agitait les mains en traversant une pièce.

« Le pouls est une vibration mécanique qui peut aussi causer une déformation de la peau, que nous ne pouvons pas sentir, mais que les piliers peuvent capter », a dit Fang.

Les chercheurs ont ensuite appliqué les concepts de leur nouveau capteur de pression à micropiliers à la conception d'un gant tactile hautement sensible. Ils ont commencé avec un gant en soie, que l'équipe a acheté dans le commerce. Pour faire des capteurs de pression, ils ont découpé de petits carrés de tissu carbone, un textile composé de nombreux filaments fins similaires aux micropiliers.

Ils ont transformé chaque carré de tissu en électrode de détection en le vaporisant d'or, un métal naturellement conducteur. Ils ont ensuite collé les électrodes de tissu à diverses parties de la doublure intérieure du gant, y compris le bout des doigts et les paumes, et ont enfilé des fibres conductrices à travers le gant pour connecter chaque électrode au poignet du gant, où les chercheurs ont collé une électrode de contrôle.

Plusieurs volontaires ont tour à tour porté le gant tactile et effectué diverses tâches, y compris tenir un ballon et saisir un bécher en verre. L'équipe a collecté les lectures de chaque capteur pour créer une carte de pression à travers le gant pendant chaque tâche. Les cartes ont révélé des motifs distincts et détaillés de pression générés pendant chaque tâche.

L'équipe prévoit d'utiliser le gant pour identifier les motifs de pression pour d'autres tâches, comme écrire avec un stylo et manipuler d'autres objets du quotidien. Finalement, ils envisagent que de tels aides tactiles pourraient aider les patients avec dysfonction motrice à calibrer et renforcer leur dextérité et préhension manuelles.

« Certaines compétences motrices fines nécessitent non seulement de savoir comment manipuler des objets, mais aussi quelle force doit être exercée », a dit Fang. « Ce gant pourrait nous fournir des mesures plus précises de la force de préhension pour groupes témoins versus patients récupérant d'un AVC ou d'autres conditions neurologiques. Cela pourrait augmenter notre compréhension et permettre le contrôle. »