传统的义手可以实现诸如抓握能力等功能,但它缺乏柔软、温暖、外观和感官感知的品质,包括检测压力、温度和水合作用。为了改善冰冷无情的手,普渡大学(Purdue University)的一个团队与乔治亚大学(University of Georgia)和德克萨斯大学(University of Texas)的研究人员合作,开发了一种可穿套式柔性电子手套(e-glove),它既增加了感觉能力,也增加了皮肤的柔软度,甚至温暖度。
在下面的视频中,项目负责人、普渡大学助理教授Chi Hwan Lee概述了该项目的基本原理、制作步骤和功能:
电子手套在标准柔性手套上使用薄,灵活的电子传感器和小型化标准IC(图1).它与一个特别设计的手表相连,可以实时显示感官数据,并远程传输给用户进行数据处理。
E-Glove的制造以商业可伸展的腈手套,用粘合剂层和有源传感元件分层,以及用于导电性的银螺纹的屏蔽网(图2).加入其他层,包括弹性体硅层,用于皮肤状的“柔软性”。
其中的一些步骤重复堆叠多个层,以包含不同类型的传感器。其中包括一个电容式水合传感器,压力感应层,记录心电图和肌电图信号的电极,以及温度传感器。他们还采用了一种方案,使用拉伸导电网对手套进行电阻加热,从而产生类似人类的温暖——例如,握手时的一种优势。
对于类似手表的控制单元,他们使用了3D打印和一个微型打印电路板,在上面安装微控制器电路、模拟元件和多路复用器。整个结构使用环氧粘合剂附着在商业腕带上。
在这些电子功能中,有一个100 μ a的恒流源用于传感器,以及一个32通道的多路复用器,用于在传感器之间切换,同时测量元件之间的电压降。感应到的电压变化——与压力、温度等外部刺激相对应——由一个16位模数转换器测量,显示在控制腕表单元上,并通过蓝牙传输到外部设备(商业智能手机或平板电脑)。该系统由一个3.7 v、350 mah的可充电锂离子聚合物电池供电,运行时间为15小时(耗散约71 mW,连续显示)至70小时(耗散约16 mW,仅按需显示)。
除了用于机械和热建模的有限元分析(FEA)外,它们还使用手套进行夹具和现实世界测试,以掌握棒球,触摸湿尿布,并处理一杯热水,一切监测整个棕榈区域施加的压力,阵列20个压力传感器(图3).他们还评估了手套与人的手相比的“温暖轮廓”。
“我们开发了一种新颖的软包装,传感器型电子手套的概念,内置于商用丁腈手套上,使其无缝地适应任意手形状,”李教授注意到。“电子手套配置具有可拉伸形式的多模式传感器,以收集各种信息,例如压力,温度,湿度和电生理生物功能,同时提供现实的人类手柔软,外观甚至温暖。”
关于概念、设计、建模、仿真、制作和结果的详细信息在他们的综合论文中提供。用于人类自然相互作用和对假肢手的软包装感觉手套系统”,发表在NPG亚洲材料(施普林格)。链接补充信息提供进一步的细节和结果,包括原理图和完整的材料清单(BOM),加上几个视频的链接,显示手套的使用。
进一步的工作甚至可能包括将“指纹”纳入下一代版本。普渡制药正在寻求一些技术专利,并寻求合作伙伴在临床试验中合作,以及假肢领域的专家,以验证电子手套的使用,并继续优化其设计。