Een onmerkbare dunne-filmsensor om beweging en tastzin vast te leggen

Onderzoekers hebben een ultradunne druksensor ontwikkeld die direct op de huid kan worden bevestigd en kan meten hoe vingers omgaan met objecten om bruikbare gegevens te produceren voor medische en technologische toepassingen. De sensor heeft een minimaal effect op de gevoeligheid van de gebruiker en het vermogen om voorwerpen vast te pakken, en is bestand tegen verstoring door wrijving. Het team hoopt ook dat hun sensor kan worden gebruikt voor de nieuwe taak om de vaardigheden van ambachtslieden digitaal te archiveren.

Er zijn veel redenen waarom onderzoekers beweging en andere fysieke details die verband houden met handen en vingers willen vastleggen. Onze handen zijn ons belangrijkste gereedschap voor directe interactie met en manipulatie van materialen en onze directe omgeving. Door de manier te registreren waarop handen verschillende taken uitvoeren, kan het onderzoekers helpen op gebieden zoals sport en medische wetenschap, maar ook neuro-engineering en meer. Maar het vastleggen van deze gegevens is niet eenvoudig.

“Onze vingertoppen zijn extreem gevoelig – zo gevoelig zelfs dat een superdunne plastic folie van slechts een paar miljoenste van een meter dik genoeg is om iemands gevoelens te beïnvloeden”, zegt docent Sunghoon Lee van de Someya Group aan de Universiteit van Tokio. “Dus een draagbare sensor voor je vingers moet extreem dun zijn. Maar dit maakt hem natuurlijk erg kwetsbaar en vatbaar voor schade door wrijving of herhaalde fysieke handelingen. Om dit te verhelpen, hebben we een speciaal functioneel materiaal gemaakt dat dun en poreus is, genaamd een nanomesh-sensor. “

Lee en zijn team maakten twee soorten lagen voor hun sensoren. Beide lagen zijn gemaakt door een proces dat electro-spinning wordt genoemd, dat lijkt op een spin die zijn web spint. Een daarvan is een isolerend polyurethaan gaas met vezels van ongeveer 200 nanometer tot 400 nanometer dik, ongeveer een vijfhonderdste van de dikte van mensenhaar. De tweede laag is een sjabloonachtig netwerk van lijnen dat de functionele elektronische component van de sensor vormt. Dit is gemaakt van goud en maakt gebruik van een ondersteunend frame van polyvinylalcohol, dat vaak wordt aangetroffen in contactlenzen, dat na fabricage wordt weggewassen om alleen de gouden sporen achter te laten die het ondersteunde. Meerdere lagen combineren om een ​​functionele druk- en bewegingssensor te vormen.

“We hebben een reeks rigoureuze tests uitgevoerd op onze sensoren met de hulp van 18 proefpersonen”, aldus Lee. “Ze bevestigden dat de sensoren niet waarneembaar waren en geen invloed hadden op het vermogen om voorwerpen door wrijving vast te pakken, noch op de waargenomen gevoeligheid in vergelijking met het uitvoeren van dezelfde taak zonder aangesloten sensor. Dit is precies het resultaat waar we op hoopten.”

Dit is de eerste keer ter wereld dat een op de vingertop gemonteerde sensor zonder effect op de gevoeligheid van de huid met succes is aangetoond. En de sensor behield zijn prestaties als een druksensor, zelfs nadat hij 300 keer tegen een oppervlak werd gewreven met een kracht van 100 kilopascal, ongeveer gelijk aan atmosferische druk, 300 keer zonder te breken. Een nieuwe toepassing die het team graag zou willen zien, is de digitale archivering van delicaat handwerk door ambachtslieden of zelfs het werk van zeer bekwame chirurgen. Als deze processen kunnen worden vastgelegd, zou het mogelijk kunnen worden om machines te trainen in het uitvoeren van taken met een grotere mate van betrouwbaarheid dan ooit tevoren.