Zachte, rekbare elektrode simuleert aanrakingssensaties met behulp van elektrische signalen

Een team van onderzoekers onder leiding van de University of California San Diego heeft een zacht, rekbaar elektronisch apparaat ontwikkeld dat het gevoel van druk of trilling kan simuleren wanneer het op de huid wordt gedragen. Dit apparaat, gerapporteerd in een paper gepubliceerd in Wetenschap Roboticavertegenwoordigt een stap in de richting van het creëren van haptische technologieën die een gevarieerder en realistischer scala aan aanraaksensaties kunnen reproduceren.

Het apparaat bestaat uit een zachte, rekbare elektrode die op een siliconenpleister is bevestigd. Het kan als een sticker op de vingertop of onderarm worden gedragen. De elektrode, die in direct contact staat met de huid, is via draden verbonden met een externe stroombron. Door een milde elektrische stroom door de huid te sturen, kan het apparaat sensaties van druk of trilling produceren, afhankelijk van de frequentie van het signaal.

“Ons doel is om een ​​draagbaar systeem te creëren dat een breed scala aan tastgewaarwordingen kan leveren met behulp van elektrische signalen, zonder dat de drager pijn ervaart”, aldus Rachel Blau, mede-eerste auteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Bestaande technologieën die een gevoel van aanraking nabootsen door middel van elektrische stimulatie veroorzaken vaak pijn als gevolg van het gebruik van stijve metalen elektroden, die zich niet goed aanpassen aan de huid. De luchtspleten tussen deze elektroden en de huid kunnen pijnlijke elektrische stromen veroorzaken.

Om deze problemen aan te pakken, hebben Blau en een team onderzoekers onder leiding van Darren Lipomi, hoogleraar aan de Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering aan de UC San Diego, een zachte, rekbare elektrode ontwikkeld die zich naadloos aanpast aan de huid.

De elektrode is gemaakt van een nieuw polymeermateriaal dat is opgebouwd uit de bouwstenen van twee bestaande polymeren: een geleidend, stijf polymeer dat bekend staat als PEDOT:PSS, en een zacht, rekbaar polymeer dat bekend staat als PPEGMEA. “Door de verhouding van deze [polymer building blocks]”We hebben op moleculair niveau een materiaal ontwikkeld dat zowel geleidend als rekbaar is”, aldus Blau.

De polymeerelektrode is met een laser gesneden in een veervormig, concentrisch ontwerp en bevestigd aan een siliconensubstraat. “Dit ontwerp verbetert de rekbaarheid van de elektrode en zorgt ervoor dat de elektrische stroom op een specifieke locatie op de huid wordt gericht, waardoor plaatselijke stimulatie wordt geboden om pijn te voorkomen,” aldus Abdulhameed Abdal, een Ph.D.-student aan de afdeling Werktuigbouwkunde en Luchtvaarttechniek aan de UC San Diego en de andere co-eerste auteur van de studie. Abdal en Blau werkten aan de synthese en fabricage van de elektrode met UC San Diego nano-engineering undergraduate studenten Yi Qie, Anthony Navarro en Jason Chin.

Bij tests werd het elektrodeapparaat door 10 deelnemers op de onderarm gedragen. In samenwerking met gedragswetenschappers en psychologen van de Universiteit van Amsterdam identificeerden de onderzoekers eerst het laagste waarneembare niveau van elektrische stroom. Vervolgens pasten ze de frequentie van de elektrische stimulatie aan, waardoor deelnemers sensaties konden ervaren die werden gecategoriseerd als druk of trilling.

“We ontdekten dat door het verhogen van de frequentie de deelnemers meer trillingen voelden in plaats van druk”, zei Abdal. “Dit is interessant omdat het biofysisch nooit precies bekend was hoe stroom door de huid wordt waargenomen.”

De nieuwe inzichten kunnen de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van geavanceerde haptische apparaten voor toepassingen zoals virtual reality, medische protheses en draagbare technologie.