Мы воспринимаем окружающий мир посредством набора сенсорных систем, преобразующих те или иные раздражители в данные, совокупность которых формирует картину происходящего вокруг. Единого мнения касательно того, какие из органов чувств самые важные, нет. Чаще всего этот статус приписывают глазам, но и про кожу забывать не стоит. Температура, боль, давление, вибрация — все это мы воспринимаем кожей и ее производными. Возможно это благодаря многочисленным рецепторам, каждый из которых отвечает за свое ощущение. Искусственно воссоздать столь сложную систему непросто, но вполне возможно. Ученые из Массачусетского технологического института (США) разработали устройство, имитирующее тактильное восприятие, превосходящее в простоте изготовления, эффективности и точности своих предшественников. Чем новое устройство отличается от предыдущих, насколько оно близко по восприятию к настоящей коже, и где можно применить эту разработку? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Как было сказано ранее, в коже человека уйма рецепторов, которые можно группировать по их функциям: механорецепторы — прикосновение; ноцицепторы — боль; терморецепторы — температура. Дабы имитировать динамическую и микромеханическую сенсорную функцию кожи, многие современные искусственные эквиваленты имеют слоистую структуру. Они часто состоят из двух электродов, разделенных пьезорезистивным, диэлектрическим или пьезоэлектрическим слоем.

Подобные системы работают вполне исправно и показывают хорошие результаты. Однако, по словам ученых, их создание зачастую связано со сложными протоколами синтеза материалов, а также требуют дополнительной инкапсуляции для поддержания гидратированной среды.

Стоит также отметить, что точность подобных устройств, прикрепляемых к коже человека для считывания тактильной информации, может быть значительно снижена за счет слоя мертвых клеток (рогового слоя). Кроме того, из-за незначительных смещений, возникающих между электродами и кожей, присутствует электрический шум, понижающий качество записываемых сигналов.

К примеру, умные часы или фитнес-браслеты могут показывать пользователю его сердечный ритм. Это возможно за счет фотоплетизмографических (ФПГ) датчиков, которые обнаруживают изменения объема крови в тканях с помощью фотодетектора. Но точность таких устройств сильно зависит от стабильности контакта между устройством и кожей пользователя, от условий окружающей среды и от эктопических (вне сердца) ударов. Следовательно, использование таких устройств, к примеру, в диагностики крайне ограничено из-за недостаточной точности.

Если искусственные системы требуют инкапсуляции для поддержания гидратированной среды, то у кожи это является естественным эффектом. Другими словами, кожа всегда влажная (в той или иной степени) благодаря наличию потовых желез и пористости рогового слоя. Каналы для пота функционируют как насосы, выталкивающие пот к поверхности кожи, а пот проникает в пористый роговой слой в результате высокого давления в канале и/или диффузии. Поскольку пот содержит множество ионов, таких как Na⁺ и Cl⁻, в концентрации порядка 10 мМ, ионная проводимость рогового слоя увеличивается, если он пропитан потом.

Следовательно, при контакте металлического электрода и кожи, свободные электроны служат носителями заряда, в то время как потоки ионов вносят вклад в проводимость в ткани для обмена электронными и ионными сигналами. Это естественный ионно-электронный интерфейс, поскольку ионы, участвующие в течении тока через пот и межклеточную жидкость, накапливаются на этих интерфейсах, за чем следует нарастание разности потенциалов на клеточной мембране, направление которой противоположно приложенному напряжению.

Сбор биоэлектрических сигналов посредством приложения к коже электродов используется в медицине уже много лет (к примеру, ЭКГ). Интерфейс электрод-кожа носит именно ионно-электронный характер. Однако подобный интерфейс не использовался для сбора тактильной информации. А если учесть, что кожа человека обладает естественной способностью к внутреннему ионному обмену и водонепроницаемой защитной оболочкой эпидермиса, то это делает ее идеальным кандидатом для замены сенсоров на основе синтетического проводящего геля.

В рассматриваемом нами сегодня труде, ученые использовали перенос ионов в живых системах для создания механочувствительной системы SEMS (skin-electrode mechanosensing structure), которая состоит из двух электродов и кожи. Система SEMS продемонстрировала высокое разрешение по давлению и пространственное разрешение, позволившее чувствовать прикосновение и обнаруживать слабые физиологические сигналы (пульс на кончиках пальцев) при различной влажности кожи. На основе SEMS была создана текстильная перчатка для картографирования давления с миллиметровым пространственным разрешением.

Структура и принцип работы SEMS

В системе SEMS кожа является не просто «пользователем», а полноценным участником процесса, выступая в роли ионного материала для измерения как физиологических сигналов, так и внешних механических стимулов. Таким образом, SEMS состоит из кожи, считывающего электрода (SE от sensing electrode) с микроструктурированными поверхностями, которые позволяют незначительно изменять контакт кожи с электродом, и противоэлектрода (CE от counter electrode) (1a).


Изображение №1

Мягкие электроды легко фиксировались на коже с помощью куска прозрачного и дышащего пластыря (Tegaderm Film 1626 W), который оказывал базовое давление ~ 5 кПа на SEMS.

Роль считывающих электродов (SE) исполнили микростолбы из полидиметилсилоксана (PDMS), покрытые золотом (1b). PDMS это мягкий материал, обладающий высокой степенью биосовместимости и воздухопроницаемости, что является большим плюсом для данной разработки.

Когда на систему воздействует какая-либо нагрузка, массив микростолбов позволяет измерять площадь тактильного ощущения на поверхности интерфейса кожа-электрод (1c).

Противоэлектрод представлен тонкой пленкой Au, которая полностью соответствует текстуре кожи, так что соответствующая ионно-электронная емкость является постоянной.

Эквивалентная схема SEMS может быть выражена как два конденсатора (C₁ для SE; и C₂ для CE, который имеет фиксированное значение, равное ~ 100 нФ/см²) и резистор (R_i, т.е. сопротивление между двумя электродами).

Измеренную емкость © можно выразить следующим образом: 1/C = 1/C₁ + 1/C₂. Поскольку C₂ является константой, выходной сигнал определяется с помощью C₁, которая является функцией приложенного давления.

Расстояние между двумя электродами мало влияет на C из-за ионной природы кожи. Это подтверждается тем фактом, что емкость значительно уменьшается с увеличением частоты. Такая функция значительно упрощает внедрение электродов в SEMS и позволяет набору SE использовать только один CE для создания полноценной сенсорного массива.

Чувствительность системы SEMS, т.е. основной параметр измерения давления, можно определить как S = δ (ΔC / C₀) / δP, где C₀ — емкость до нагрузки, ΔC — изменение емкости, а P — приложенное давление. При нагрузке микростолбы изгибаются, обеспечивая плотный контакт с кожей, что приводит к увеличению емкости.

Исходя из определения чувствительности, уменьшение C₀ или начальной площади контакта должно привести к увеличению чувствительности. Поэтому между SE и кожей была помещена прокладка, представляющая собой перфорированную полиэтилентерефталатную (ПЭТ) мембрану. Это позволило минимизировать начальную площадь контакта и тем самым повысить чувствительность и улучшить консистенцию между разными устройствами. Значения контактного импеданса между электродами и кожей для CE и SE (с прокладкой и без нее) находятся в пределах 10²-10⁵ Ом в диапазоне частот 10⁴-10⁶ Гц.

SEMS демонстрирует нелинейную зависимость емкости от давления, которую можно разделить на четыре стадии: чувствительность составляет ~ 1.3 кПа⁻¹ при P < 3 кПа; затем резко увеличивается до 11.8 кПа⁻¹ в пределах 3-4 кПа; затем падает до 2.8 кПа⁻¹ от 4 до 15 кПа (1d); в итоге наблюдается насыщение отклика, когда давление превышает 15 кПа.

Предел обнаружения (LOD от limit of detection) SEMS составил ~ 0.2 Па, а время отклика ~ 15 мс, что превосходит таковое для кожи человека (с LOD ~ 100 Па и скорость отклика 30–50 мс).

В результате система SEMS способна реагировать на механические стимулы либо на физиологическую информации от тела, примером чего является успешное обнаружение мягких прикосновений и четкие формы волны пульса на кончике пальца. Важно отметить, что пульс на кончиках пальцев вызывает крошечное изменение давления всего на ~ 10 Па, а посему его крайне сложно заметить с помощью существующих систем искусственной кожи или даже самой кожей человека, так как та имеет разрешение по давлению всего лишь 7%. Но вот SEMS показывает крайне высокое разрешение по давлению в 1 Па, т.е. 0.02% при базовом давлении в 5 кПа.

На 1f показан массив (матрица) SEMS размерами 1.87 х 1.87 см, состоящий из 36 круглых SE диаметром 1.7 мм и одного общего CE.

Результаты тестирования SEMS

Поскольку ионно-электронная емкость пропорциональна площади контакта между кожей и электродом, нестабильность изгиба тонких микростолбов использовалась для максимизации изменения площади контакта при внешней нагрузке.


Изображение №2

На 2a показано, что деформированный столбец при испытании на сжатие может иметь различную морфологию в зависимости от отношения длины к радиусу (L/R) и ее жесткости по отношению к подложке.

До сжатия столб с полусферическим концом слегка вдавливается в обшивку, в то время как в режиме сжатия столб изгибается так, что его ось становится параллельна подложке, а боковая поверхность сжимается относительно контактирующей упругой плоскости.

Поскольку наиболее быстрое изменение площади контакта происходит сразу после возникновения нестабильности изгиба с большим соотношением сторон, ожидается более резкое изменение площади на единицу нагрузки, соответствующее более высокой чувствительности (2b).

Результаты работы микроструктурного электрода были подтверждены с помощью анализа конечных элементов и с помощью сканирующей электронной микроскопии (2с).

Учитывая, что SEMS работает в непосредственном контакте с телом человека, необходимо было установить, что система способна стабильно записывать сигналы в статическом и динамическом режимах, а также быть безопасной для пользователя.


Изображение №3

Снимки на 3a и 3b показывают, что SE и CE прекрасно растягиваются без трещин или других деформаций во время сжатия или растяжения (до 10%).

CE представляет собой тонкий лист золота, который полностью соответствует текстуре кожи. За счет этого сигнал емкости SEMS практически не изменяется при прикосновении к CE (3c).


Сигнал емкости SE может варьироваться в разных частях тела человека, включая запястье, пальцы, ладонь, суставы пальцев и предплечье. На этих участках кожа имеет разную текстуру (кривизну) и разную степень увлажнения. Однако упругие микроструктуры (микростолбы) SE обеспечивают высокую надежность измерения сигнала. Работа SEMS оставалась стабильной даже спустя 5000 циклов повторной нагрузки в 5 кПа (3d).

Конечно, при больших деформациях слой золота покрывается трещинками, что вызвано большой разницей в модулях упругости золотой пленки и PDMS, которые она покрывает. Но это не вызывало ощутимых изменений электропроводности. Подтверждением тому стали результаты 500 циклов на изгиб (с радиусом изгиба 0.6 см).

С точки зрения комфорта ношения такого устройства также не было замечено каких-либо проблем. Шесть испытуемых носили SEMS в течение 24 часов. Ни один из них не сообщал о раздражении, дискомфорте или покраснении на коже (3e и 3f). Дополнительный тест показал, что система может сохранять стабильность считывания сигналов в течение 10 дней, однако при таком длительном ношении уже наблюдается покраснение кожи.

Не стоит забывать и о потоотделении, которое может повлиять на интерфейс кожа-электрод, особенно в рамках считывания пульса и сигналов тактильных ощущений. Для проверки этого момента ученые провели опыт, в котором пульс испытуемого измерялся с помощью SEMS до и после 10 минут физической нагрузки (бег по ступеням). Размер используемого SEMS составлял 3 х 3 мм.

Емкость SEMS до и после упражнений показана на 3g. Было обнаружено, что базовая емкость, зарегистрированная электродом SEMS, выросла с 1750 до 1790 пФ в результате покрытия кожи потом. В течение 20 минут емкость постепенно снижалась по мере высыхания пота, в результате достигнув первоначального значения.

Такое изменение базовой емкости C₀ при потоотделении является ожидаемым, поскольку многочисленные ионы, такие как K⁺, Na⁺ и Cl⁻ в концентрации порядка 10 мМ в поте, увеличивают ионную проводимость рогового слоя кожи. Следовательно, при размещении SE и CE в конформный контакт с влажной кожей ионно-электронный интерфейс, разделяющий электроны и ионы, может иметь более высокую емкость, чем в случае сухой кожи.

Тем не менее такое изменение не вызвало ухудшения обнаружения динамических физиологических сигналов, таких как пульс. Анализ различных временных точек (на 0, 12, 14, 16, 20, 30, 40 и на 50 минуте) показал, что пульс может быть обнаружен при амплитуде от пика до спада 0.96 ± 0.1 пФ в течение всего периода наблюдений (3h).

Далее была проведена оценка работы системы в ответ на прикосновения при различной влажности кожи (3i). Было установлено, что значения емкости после потоотделения при нормальных силах в 0.2, 0.4 и 0.6 Н выше, чем до потоотделения, но различия весьма ограниченные (обычно в несколько пикофарад). Потоотделение увеличивало базовую емкость, но мало влияло на обнаружение как физиологических сигналов, так и сигналов прикосновения.

В дополнение был проведен опыт с испытуемыми разного возраста (от 6 до 60 лет). Эти тесты также показали, что SEMS может обнаруживать пульсовые волны с ограниченным изменением амплитуды.

Еще одним важным показателем эффективной работы SEMS является его способность справляться с электрическим шумом, возникающим из-за движения интерфейса кожа-электрод во время ношения устройства на коже.

Были проведены опыты, когда SE был прикреплен к кончику пальца, а CE к предплечью. Во время покоя (когда испытуемый не двигается) SEMS выдавал стабильные сигналы пульса на кончиках пальцев, без какого-либо влияния со стороны движений от дыхания или разговора. Если же человек начинает двигаться (быстро/медленно ходить, шевелить рукой), то возникают очевидные помехи (4a).


Изображение №4
Однако амплитуда сигнала от помех, вызванных движениями, (2–3 пФ, 4a) намного ниже, чем от прикосновений (~ сотни пикофарад; 3c). Следовательно, влияние шума, вызванного движением, на тактильное восприятие незначительно.

При этом частотный анализ позволяет четко различить характерные частоты пульса и частоты, возникающие за счет движения тела (4b). То есть информацию о пульсе можно извлекать независимо от каких-либо возникающих шумов.

На 4c показано, что частота сердечных сокращений увеличивается с 1.5 до 1.7 Гц, когда человек начитает быстро ходить (с частотой 0.8 Гц), и снова уменьшается до 1.5 Гц, когда он останавливается.

Из этих наблюдений следует, что система SEMS весьма устойчива к шумам, возникающим при движении. При этом SEMS даже способен определять тип движения за счет частотной информации.

В заключение своего исследования, дабы полностью продемонстрировать все возможности своей разработки, ученые создали «умную» перчатку на базе SEMS.

Перчатка состоит из перфорированного шелкового слоя (диаметр отверстия ~ 2.2 мм); слоя распределенных SE (диаметр ~ 2 мм, положение совпадает с отверстиями шелка), приклеенных к нитям углеродной ткани и верхнему защитному тканевому слою, на который приклеен чувствительный (считывающий) слой (5а).


Изображение №5

Каждый SE состоят из тысяч электростатически флокированных столбов из ПЭТ, покрытых тонким слоем Au (5b). SE на текстильной основе не раздражают кожу и сохраняют ее сухой, тем самым демонстрирует незначительный дрейф сигнала при длительном ношении.

Поскольку флокированные микростолбы в основном наклонены (5c), при нагрузке считывающие элементы демонстрируют реакцию без «начального контакта», но непосредственно претерпевают стадию продольного изгиба, на которой достигается максимальная чувствительность (5d).

Также подобная конфигурация сохраняет стабильность при повторяющихся циклах нагрузки и не вызывает раздражения кожи, даже спустя 10 дней непрерывного ношения.

Перчатка SEMS содержит 65 считывающих элементов, большая часть которых расположена на кончиках пальцев (5e). Единственный CE прикреплен к предплечью.

Для оценки работы перчатки были проведены тесты, в которых испытуемый должен был просто взять в руки какой-то предмет. Картирование давления происходило путем записи сигналов емкости всех 65 датчиков в момент удержания рукой объекта. Картирование показало, что удержания мягкого и сжимаемого шара вызывает относительно равномерное распределение давления по всей ладони (5f). А при удерживании жесткого стакана генерируется интенсивный сигнал на пальцах, но гораздо более слабый сигнал на ладони (5g).

Также были проведены опыты по оценке влияния потоотделения на работу перчатки. Как и ранее, испытуемый должен был побегать по ступеням в течение 10 минут, после чего считывались данные пульса (на 0, 12, 14, 16, 20, 30, 40, и на 50 минуте) и тактильные сигналы при удержании предметов.

На 5h показана ​​емкость, записанная с одного сенсорного электрода (SE) на кончике пальца. Тут наблюдается изменение базовой емкости с 980 до 1120 пФ, демонстрирующее эффект потоотделения, затем (в течение 40 минут) следует постепенное снижение до 990 пФ.

На 5i показано, что амплитуда от спада до пика (около ~ 1 пФ) волны пульса на кончике пальца претерпевает незначительные изменения в течение всего процесса, за исключением того, что происходит в начале потоотделения (амплитуда ~ 2.1 пФ).

При прикосновении интенсивность сигнала емкости SE элемента, подвергнутого воздействию 0.2, 0.4 и 0.6 Н, также показывает более высокие, но очень близкие значения после потоотделения, вместе с увеличенной базовой емкостью (5j).

Дополнительно перчатку решили окунуть в искусственный пот (300 мг NaCl, растворенного в 100 г H₂O) на 12 часов, чтобы проверить эффект длительного потоотделения и водонепроницаемость электродов. Результаты показывают, что функция SEMS существенно не изменилась, т.е. перчатки на основе SEMS способны обнаруживать физиологические сигналы и сигналы давления в различных условиях увлажнения кожи.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В данном труде ученые фактически создали искусственную кожу, а точнее систему электродов, которые способны не только считывать пульс человека на кончике его пальцев, но и давление, оказываемое предметом в его руках.

Разработанная система SEMS работает не так, как ее предшественники. Вместо классического диэлектрического слоя, ученые решили использовать саму кожу человека, а именно пот, содержащий ионы, которые и могут принять на себя роль диэлектрических элементов. За счет этого структура SEMS намного проще и состоит из двух электродов, размещенных на коже. Когда к одному электроду применяется давление, ионы начинают накапливаться под ним. Измерив разность емкости между двумя электродами, можно определить какое именно давление было приложено. При этом точность считывающего (чувствительного) электрода была дополнительно повышена за счет его необычной структуры — множества микростолбов, каждый из которых способен самостоятельно считывать приложенное давление. В последствии такая система стала основой для перчатки из ткани, способной как считывать пульс человека, так и давление, возникающее когда он держит что-то в руках.

Кроме того данная система позволяет невероятно точно и быстро считывать биологические сигналы человека, не влияя на его повседневную жизни. Так предел обнаружения у SEMS системы составляет 0.2 Па, а у кожи человека около 100 Па.

Здоровый человек не задумывается о том, сколько усилий прилагать, когда он берет в руки чашку или ручку. Однако есть пациенты с двигательной дисфункцией, для которых этот процесс сопряжен с немалыми усилиями. Авторы разработки считают, что их труд поможет таким людям откалибровать и усилить ловкость рук и хватку. Ученые говорят, что SEMS перчатка позволит измерить силы, необходимые для захвата и удержания различных предметов, у пациентов на разной стадии выздоровления после, к примеру, инсульта. Тем самым это предоставит больше информации, которая может быть использована для ускорения процесса восстановления моторных функций.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?