Miękka, elastyczna elektroda symuluje wrażenia dotykowe dzięki sygnałów elektrycznych

Zespół badaczy pod przewodnictwem University of California San Diego opracował miękkie, rozciągliwe urządzenie elektroniczne, które jest w stanie symulować uczucie nacisku lub wibracji podczas noszenia na skórze. Urządzenie to, opisane w artykule opublikowanym w Science Robotics, stanowi krok w kierunku tworzenia technologii haptycznych, które mogą odtwarzać bardziej zróżnicowany i realistyczny zakres wrażeń dotykowych.

Urządzenie składa się z miękkiej, rozciągliwej elektrody przymocowanej do silikonowego plastra. Można ją nosić jak naklejkę na czubku palca lub przedramieniu. Elektroda, mająca bezpośredni kontakt ze skórą, jest podłączona do zewnętrznego źródła zasilania dzięki przewodów. Wysyłając łagodny prąd elektryczny przez skórę, urządzenie może wywoływać odczucia nacisku lub wibracji w zależności od częstotliwości sygnału.

„Naszym celem jest stworzenie systemu do noszenia, który będzie w stanie zapewnić szeroką gamę wrażeń dotykowych dzięki sygnałów elektrycznych – bez powodowania bólu u użytkownika” – powiedziała współautorka badania, Rachel Blau, doktorantka z tytułem doktora inżynierii nano na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. Szkoła Inżynierska Jacobsa.

Istniejące technologie odtwarzające zmysł dotyku poprzez stymulację elektryczną często powodują ból ze względu na zastosowanie sztywnych metalowych elektrod, które nie dopasowują się dobrze do skóry. Szczeliny powietrzne pomiędzy tymi elektrodami a skórą mogą powodować bolesne porażenie prądem elektrycznym.

Aby rozwiązać te problemy, Blau i zespół naukowców pod kierownictwem Darrena Lipomi, profesora na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Nanorodziny Aiiso Yufeng Li na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, opracowali miękką, rozciągliwą elektrodę, która idealnie dopasowuje się do skóry.

Elektroda jest wykonana z nowego materiału polimerowego zbudowanego z bloków konstrukcyjnych dwóch istniejących polimerów: przewodzącego, sztywnego polimeru znanego jako PEDOT:PSS i miękkiego, rozciągliwego polimeru znanego jako PPEGMEA. „Poprzez optymalizację stosunku tych [polymer building blocks]opracowaliśmy molekularnie materiał, który jest zarówno przewodzący, jak i rozciągliwy” – powiedział Blau.

Elektroda polimerowa jest cięta laserowo w sprężynowy, koncentryczny wzór i mocowana do silikonowego podłoża. „Taki wzór zwiększa rozciągliwość elektrody i zapewnia, iż ​​prąd elektryczny jest skierowany do określonego miejsca na skórze, zapewniając w ten sposób zlokalizowaną stymulację, aby zapobiec bólowi” — powiedział Abdulhameed Abdal, doktorant na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Lotniczej na UC San Diego i drugi współautor pierwszego badania. Abdal i Blau pracowali nad syntezą i produkcją elektrody ze studentami inżynierii nano na UC San Diego Yi Qie, Anthonym Navarro i Jasonem Chinem.

W badaniach 10 uczestników nosiło elektrodę na przedramieniu. We współpracy z naukowcami zajmującymi się behawioryzmem i psychologami z Uniwersytetu w Amsterdamie badacze najpierw zidentyfikowali najniższy wykrywalny poziom prądu elektrycznego. Następnie dostosowali częstotliwość stymulacji elektrycznej, umożliwiając uczestnikom odczuwanie wrażeń zaliczanych do ucisku lub wibracji.

„Odkryliśmy, iż zwiększając częstotliwość, uczestnicy odczuwali więcej wibracji niż nacisku” – powiedział Abdal. „To interesujące, ponieważ z biofizycznego punktu widzenia nigdy nie było dokładnie wiadomo, jak skóra odbiera prąd”.

Nowe odkrycia mogą utorować drogę do opracowania zaawansowanych urządzeń dotykowych do zastosowań takich jak rzeczywistość wirtualna, protetyka medyczna i technologie noszenia.

Praca ta była wspierana przez National Science Foundation Disability and Rehabilitation Engineering program (CBET-2223566). Praca ta została wykonana częściowo w San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) na UC San Diego, członka National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, która jest wspierana przez National Science Foundation (grant ECCS-1542148).