新型“电子皮肤”手套:触手可及,不失毫厘

中国南方科技大学和麻省理工学院设计了一款新型“电子皮肤”——基于皮肤电极传感结构(SEMS)的手套,能够精准感知触摸并检测指尖脉搏等微弱的生理信号。



人体皮肤具有触觉感知功能,可以感受到外界的力刺激,是人类与外界交互的重要器官。然而,部分人群可能因为患病或神经受损等原因丧失部分触觉功能,需要通过表皮传感器件,帮助触觉功能障碍患者恢复触觉。

现有的传感器通常为复杂的多层结构,难以在皮肤上长期稳定贴附,透气性也不好,可能会带来皮肤炎症等问题,因此很难广泛推广和应用。

中国南方科技大学和麻省理工学院的研究人员设计了一款新型“电子皮肤”——基于皮肤电极传感结构(SEMS)的手套,能够精准地感知触摸并检测指尖脉搏等微弱的生理信号。SEMS结构简单,性能可靠,具有广阔的医疗保健应用前景,例如帮助触觉功能障碍患者恢复触觉,进行脉搏检测等。

该手套采用的皮肤电极传感结构(SEMS)有别于传统的触觉传感器,将皮肤作为电介质,两个电极分别放置于手臂上和手套上,构成闭合回路,利用人体皮肤角质层中的汗液离子,如Na+和Cl-,当金属电极与皮肤接触时,离子可以起到交换电信号的作用。

其实在皮肤上覆压电极来收集生物电信号,已广泛应用于医疗领域,如心电图监测,但该技术尚未用于触觉传感。

SEMS包含传感电极(SE)和反电极(CE),其中反电极是一片与皮肤高度贴合的薄金箔,贴在手臂上。传感电极采用微柱结构:电极上分布着数千根细长的微柱,当电极受压时,微柱弯曲,与皮肤接触面积增大,整个SEMS的电容随之增大。研究人员只需测量SEMS的电容即可计算相应的压力。

使用皮肤作为活性材料简化了传感器结构,与现有的表皮压力传感器相比,SEMS 不仅结构简单,还表现出更高的灵敏度和响应速度。SEMS的最大灵敏度约为纳米网传感器的83倍,响应速度约为13倍。

基于SEMS的手套共包含65个传感电极和一个反电极,传感电极分布在手套的不同位置。

在不同的皮肤水分条件下,该手套都能准确检测压力信号,还可以测量指尖脉搏等微小生理信号。

在实验过程中,几名志愿者轮流戴着手套完成不同任务,比如拿着气球和握住玻璃杯,研究人员收集相应的传感器数据,创建执行不同任务期间手套的压力云图,这些图展示了每项任务期间产生的压力模型。未来可以使用手套来识别更多任务的压力模型,例如用钢笔书写或抓握其他日常物品。

未来该技术也许可以应用于运动功能障碍患者的康复过程中,利用其对压力模型测量的精确性,不断调整患者手部灵活性和抓握力训练方案。

相信这一款结构简单、技能出众的电子皮肤将在医疗和康复领域有广阔的应用空间,帮助更多患者恢复触觉,恢复手部运动功能,让美好生活触手可及!

了解更多:https://www.nature.com/articles/s41467-021-24946-4

参考文献:Zhu, P., Du, H., Hou, X. et al. Skin-electrode iontronic interface for mechanosensing. Nat Commun 12, 4731 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24946-4

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