La conception pourrait aider à restaurer la fonction motrice après un AVC, à améliorer les expériences de jeu virtuel. —

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  • Lorsque vous ramassez un ballon, la pression pour le maintenir est différente de celle que vous exerceriez pour saisir un bocal. Et maintenant, les ingénieurs du MIT et d’ailleurs ont un moyen de mesurer et de cartographier avec précision ces subtilités de la dextérité tactile.

    L’équipe a conçu un nouveau gant tactile qui peut “sentir” la pression et d’autres stimuli tactiles. L’intérieur du gant est doté d’un système de capteurs qui détecte, mesure et cartographie les petits changements de pression à travers le gant. Les capteurs individuels sont hautement adaptés et peuvent capter de très faibles vibrations à travers la peau, telles que le pouls d’une personne.

    Lorsque les sujets portaient le gant tout en ramassant un ballon par rapport à un bécher, les capteurs généraient des cartes de pression spécifiques à chaque tâche. Tenir un ballon produisait un signal de pression relativement uniforme sur toute la paume, tandis que saisir un bécher créait une pression plus forte au bout des doigts.

    Les chercheurs affirment que le gant tactile pourrait aider à recycler la fonction motrice et la coordination chez les personnes ayant subi un accident vasculaire cérébral ou une autre affection motrice fine. Le gant pourrait également être adapté pour augmenter la réalité virtuelle et les expériences de jeu. L’équipe envisage d’intégrer les capteurs de pression non seulement dans des gants tactiles, mais également dans des adhésifs flexibles pour suivre le pouls, la pression artérielle et d’autres signes vitaux avec plus de précision que les montres intelligentes et autres moniteurs portables.

    “La simplicité et la fiabilité de notre structure de détection sont très prometteuses pour une diversité d’applications de soins de santé, telles que la détection des impulsions et la récupération de la capacité sensorielle chez les patients présentant un dysfonctionnement tactile”, déclare Nicholas Fang, professeur de génie mécanique au MIT.

    Fang et ses collaborateurs détaillent leurs résultats dans une étude publiée aujourd’hui dans Communication Nature. Les co-auteurs de l’étude incluent Huifeng Du et Liu Wang au MIT, ainsi que le groupe du professeur Chuanfei Guo à la Southern University of Science and Technology (SUSTech) en Chine.

    Sensation avec la sueur

    Les capteurs de pression du gant sont similaires dans leur principe aux capteurs qui mesurent l’humidité. Ces capteurs, que l’on trouve dans les systèmes CVC, les réfrigérateurs et les stations météorologiques, sont conçus comme de petits condensateurs, avec deux électrodes ou des plaques métalliques, prenant en sandwich un matériau “diélectrique” caoutchouteux qui transporte 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. Cet ajout d’ions modifie la capacité, ou la 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 sandwich capacitive pour la conception de capteurs de pression minces et flexibles. L’idée est similaire : lorsqu’un capteur est pressé, l’équilibre des charges dans sa couche diélectrique se déplace, d’une manière qui peut être mesurée et convertie en pression. Mais la couche diélectrique de la plupart des capteurs de pression est relativement volumineuse, limitant leur sensibilité.

    Pour leurs nouveaux capteurs tactiles, l’équipe du MIT et de SUSTech a supprimé la couche diélectrique conventionnelle au profit d’un ingrédient surprenant : la sueur humaine. Comme la sueur contient naturellement des ions tels que le sodium et le chlorure, ils ont estimé que ces ions pourraient servir de substituts diélectriques. Plutôt qu’une structure sandwich, ils ont envisagé deux électrodes minces et plates, placées sur la peau pour former un circuit avec une certaine capacité. Si une pression était appliquée à une électrode de “détection”, les ions de l’humidité naturelle de la peau s’accumuleraient sur la face inférieure et modifieraient la capacité entre les deux électrodes, d’une quantité qu’elles pourraient mesurer.

    Ils ont découvert qu’ils pouvaient augmenter la sensibilité de l’électrode de détection en recouvrant sa face inférieure d’une forêt de poils minuscules, courbés et conducteurs. Chaque cheveu servirait d’extension microscopique de l’électrode principale, de sorte que, si une pression était appliquée, par exemple, à un coin de l’électrode, les cheveux de cette région spécifique se plieraient en réponse et accumuleraient des ions de la peau, le degré et dont l’emplacement pourrait être mesuré et cartographié avec précision.

    Piliers de pression

    Dans leur nouvelle étude, l’équipe a fabriqué de fines électrodes de détection de la taille d’un noyau garnies de milliers de filaments microscopiques d’or, ou “micropiliers”. Ils ont démontré qu’ils pouvaient mesurer avec précision le degré de courbure des groupes de micropiliers en réponse à diverses forces et pressions. Lorsqu’ils ont placé une électrode de détection et une électrode de contrôle sur le bout du doigt d’un volontaire, ils ont découvert que la structure était très sensible. Les capteurs ont pu capter des phases subtiles du pouls de la personne, telles que différents pics au cours du même cycle. Ils pouvaient également maintenir des lectures de pouls précises, même lorsque la personne portant les capteurs agitait les mains en traversant une pièce.

    “Le pouls est une vibration mécanique qui peut également provoquer une déformation de la peau, que nous ne pouvons pas sentir, mais les piliers peuvent se soulever”, explique 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 fabriquer des capteurs de pression, ils ont découpé de petits carrés dans du tissu de carbone, un textile composé de nombreux filaments fins semblables à des micropiliers.

    Ils ont transformé chaque carré de tissu en une électrode de détection en le pulvérisant avec de l’or, un métal naturellement conducteur. Ils ont ensuite collé les électrodes en tissu sur diverses parties de la doublure intérieure du gant, y compris le bout des doigts et les paumes, et ont enfilé des fibres conductrices dans tout le gant pour connecter chaque électrode au poignet du gant, où les chercheurs ont collé une électrode de contrôle.

    Plusieurs bénévoles se sont relayés pour porter le gant tactile et effectuer diverses tâches, notamment tenir un ballon et saisir un bécher en verre. L’équipe a collecté les lectures de chaque capteur pour créer une carte de pression sur le gant pendant chaque tâche. Les cartes ont révélé des modèles de pression distincts et détaillés générés au cours de chaque tâche.

    L’équipe prévoit d’utiliser le gant pour identifier les modèles de pression pour d’autres tâches, telles que l’écriture avec un stylo et la manipulation d’autres objets ménagers. En fin de compte, ils envisagent que de telles aides tactiles pourraient aider les patients présentant un dysfonctionnement moteur à calibrer et à renforcer la dextérité et la préhension de leur main.

    “Certaines habiletés motrices fines nécessitent non seulement de savoir comment manipuler des objets, mais aussi de savoir quelle force doit être exercée”, explique Fang. “Ce gant pourrait nous fournir des mesures plus précises de la force de préhension pour les groupes témoins par rapport aux patients se remettant d’un AVC ou d’autres troubles neurologiques. Cela pourrait améliorer notre compréhension et permettre le contrôle.”

    Cette recherche a été financée, en partie, par le Centre commun de recherche et d’enseignement en génie mécanique du MIT et de SUSTech.

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