1. Uma luva eletrônica, ou luva eletrônica, desenvolvida por pesquisadores da Universidade Purdue pode ser usada sobre uma mão protética para proporcionar suavidade, calor, aparência e percepção sensorial semelhantes a humanos. (Fonte: Universidade de Purdue)

Luva eletrônica para mãos protéticas detecta pressão, temperatura, umidade e se aquece

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Uma mão protética convencional pode permitir funções como a capacidade de agarrar, mas carece de qualidades de suavidade, calor, aparência e percepção sensorial, incluindo detecção de pressão, temperatura e hidratação. Para melhorar a mão fria e insensível, uma equipe da Universidade Purdue, em colaboração com pesquisadores da Universidade da Geórgia e da Universidade do Texas, desenvolveu uma luva eletrônica flexível (e-glove) que adiciona recursos sensoriais e de pele. tipo suavidade e até calor.

No vídeo abaixo, o líder do projeto Chi Hwan Lee, professor assistente da Purdue, fornece uma visão geral da lógica do projeto, etapas de fabricação e recursos:

A luva eletrônica usa sensores eletrônicos finos e flexíveis e ICs padrão em miniatura na luva flexível padrão (Figura 1). Ele é conectado a um relógio de pulso especialmente projetado, permitindo a exibição em tempo real de dados sensoriais e transmissão remota ao usuário para processamento pós-dados.

1. Uma luva eletrônica, ou luva eletrônica, desenvolvida por pesquisadores da Universidade Purdue pode ser usada sobre uma mão protética para proporcionar suavidade, calor, aparência e percepção sensorial semelhantes a humanos. (Fonte: Universidade de Purdue) 1. Uma luva eletrônica, ou luva eletrônica, desenvolvida por pesquisadores da Universidade Purdue pode ser usada sobre uma mão protética para proporcionar suavidade, calor, aparência e percepção sensorial semelhantes a humanos. (Fonte: Universidade de Purdue)

A fabricação da luva eletrônica começa com uma luva nitrílica elástica comercial, revestida com uma camada adesiva e elementos de detecção ativos, e com uma malha blindada de fios de prata para condutividade (Figura 2). Outras camadas foram adicionadas, incluindo uma camada de elastômero de silicone para suavidade da pele.

2. Uma série de imagens ópticas para uma plataforma representativa de luvas eletrônicas que contém várias matrizes empilhadas de elementos sensores, incluindo sensores de pressão (esquerda), umidade (média) e temperatura (direita), a barra de escala é de 25 mm; as imagens inseridas mostram uma visão ampliada dos elementos do sensor incorporado, as barras de escala são 4 mm (esquerda), 3 mm (meio) e 1 mm (direita), respectivamente (a). Características elétricas representativas dos elementos sensores incorporados em função de estímulos aplicados externamente (b). Imagens ópticas de uma unidade de relógio de pulso personalizada, conectada ao sistema de luvas eletrônicas, as barras de escala têm 6 cm (esquerda) e 1 cm (direita), respectivamente (c). Imagem óptica do circuito interno incorporado na unidade de relógio de pulso, a barra de escala é de 5 mm (d). (Fonte: Universidade de Purdue)2. Uma série de imagens ópticas para uma plataforma representativa de luvas eletrônicas que contém várias matrizes empilhadas de elementos sensores, incluindo sensores de pressão (esquerda), umidade (média) e temperatura (direita), a barra de escala é de 25 mm; as imagens inseridas mostram uma visão ampliada dos elementos do sensor incorporado, as barras de escala são 4 mm (esquerda), 3 mm (meio) e 1 mm (direita), respectivamente (a). Características elétricas representativas dos elementos sensores incorporados em função de estímulos aplicados externamente (b). Imagens ópticas de uma unidade de relógio de pulso personalizada, conectada ao sistema de luvas eletrônicas, as barras de escala têm 6 cm (esquerda) e 1 cm (direita), respectivamente (c). Imagem óptica do circuito interno incorporado na unidade de relógio de pulso, a barra de escala é de 5 mm (d). (Fonte: Universidade de Purdue)

Algumas das etapas foram repetidas para empilhar várias camadas para incluir diferentes tipos de sensores. Entre eles, estavam um sensor de hidratação capacitivo, camadas sensíveis à pressão, eletrodos para gravação de sinais de eletrocardiograma (ECG) e eletromiograma (EMG) e sensores de temperatura. Eles também incorporaram um esquema que usa a malha condutora esticada para aquecimento resistivo da luva para criar um calor semelhante ao humano – um recurso ao apertar as mãos, por exemplo.

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Para a unidade de controle semelhante a um relógio de pulso, eles usaram a impressão 3D e uma minúscula placa de circuito impresso na qual montaram o circuito do microcontrolador, os componentes analógicos e o multiplexador. Toda a estrutura foi presa à pulseira comercial usando adesivo epóxi.

Entre as funções eletrônicas, havia uma fonte de corrente constante de 100 μA para os sensores e um multiplexador de 32 canais usado para alternar entre sensores enquanto a queda de tensão é medida entre os elementos. As alterações nas tensões detectadas – correspondentes a estímulos externos, como pressão, temperatura e mais – foram medidas por um conversor analógico-digital de 16 bits, exibido na unidade de relógio de pulso de controle e transmitido a um dispositivo externo (smartphone comercial ou tablet) via Bluetooth. O sistema é alimentado por uma bateria de polímero de íon de lítio recarregável de 3,7 V e 350 mAh que fornece operação entre 15 horas (dissipação de ~ 71 mW com exibição contínua) e 70 horas (~ 16 mW, somente exibição sob demanda).

Além da análise detalhada de elementos finitos (FEA) para modelagem mecânica e térmica, eles realizaram testes baseados em acessórios e no mundo real usando a luva para agarrar uma bola de beisebol, tocar em uma fralda molhada e manusear um copo de água quente o tempo todo monitorando a pressão exercida em toda a área da palma com uma matriz de 20 sensores de pressão (Fig. 3). Eles também avaliaram o “perfil de calor” da luva em comparação com uma mão humana.

3. São mostrados: A imagem óptica do sistema de luvas eletrônicas segurando uma bola de beisebol; a barra de escala é de 25 mm (a). Resultados do registro da pressão (b) Alteração da condutância em função da pressão aplicada ao elemento sensor embutido (c). A imagem óptica do sistema de luvas eletrônicas tocando uma fralda molhada, a barra de escala é de 5 cm (d). Resultados do registro da hidratação (e). Resultados das medições de controle usando um sensor de hidratação comercial (f). A imagem óptica do sistema de luvas eletrônicas segurando um copo de água quente, a barra de escala é de 5 cm (g). Resultados da gravação da temperatura (h). Resultados das medições de controle usando um sensor comercial de infravermelho (IR) (i). Imagem óptica de eletrodos eletrofisiológicos (EP) instalados ao redor do polegar do sistema de luvas eletrônicas (a imagem SEM inserida destaca a malha de nanofios Ag incorporada em rede), as barras de escala são de 4 mm e 600 nm (inseridas), respectivamente (j). Resultados de ECG (superior) e EMG (inferior) medidos a partir da pele humana (k). Controle os resultados das medições dos eletrodos comerciais de gravação de EP (l). (Fonte: Universidade de Purdue)3. São mostrados: A imagem óptica do sistema de luvas eletrônicas segurando uma bola de beisebol; a barra de escala é de 25 mm (a). Resultados do registro da pressão (b) Alteração da condutância em função da pressão aplicada ao elemento sensor embutido (c). A imagem óptica do sistema de luvas eletrônicas tocando uma fralda molhada, a barra de escala é de 5 cm (d). Resultados do registro da hidratação (e). Resultados das medições de controle usando um sensor de hidratação comercial (f). A imagem óptica do sistema de luvas eletrônicas segurando um copo de água quente, a barra de escala é de 5 cm (g). Resultados da gravação da temperatura (h). Resultados das medições de controle usando um sensor comercial de infravermelho (IR) (i). Imagem óptica de eletrodos eletrofisiológicos (EP) instalados ao redor do polegar do sistema de luvas eletrônicas (a imagem SEM inserida destaca a malha de nanofios Ag incorporada em rede), as barras de escala são de 4 mm e 600 nm (inseridas), respectivamente (j). Resultados de ECG (superior) e EMG (inferior) medidos a partir da pele humana (k). Controle os resultados das medições dos eletrodos comerciais de gravação de EP (l). (Fonte: Universidade de Purdue)

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“Desenvolvemos um novo conceito de luva eletrônica instrumentada por sensor e com embalagem macia, construída em uma luva de nitrila comercial, permitindo que ela se encaixe perfeitamente em formas arbitrárias de mão”, observou o professor Lee. “A luva eletrônica é configurada com uma forma elástica de sensores multimodais para coletar várias informações, como pressão, temperatura, umidade e biossinais eletrofisiológicos, ao mesmo tempo em que fornece suavidade, aparência e até mesmo calor realistas, semelhantes a mãos humanas.”

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Detalhes completos sobre o conceito, design, modelagem, simulação, fabricação e resultados são fornecidos em seu abrangente artigo “Sistema de luvas sensoriais com embalagem macia para interação natural do tipo humana e controle de mãos protéticas”, publicado em NPG Asia Materials (Springer). As Informações Suplementares vinculadas fornecem mais detalhes e resultados, incluindo uma lista de materiais esquemática e completa (BOM), além de links para vários vídeos que mostram a luva em uso.

Trabalhos futuros podem até incluir a incorporação de “impressões digitais” em uma versão de próxima geração. A Purdue procura patentear parte da tecnologia e procura parceiros para colaborar em ensaios clínicos, bem como especialistas na área de próteses para validar o uso da luva eletrônica e continuar otimizando seu design.

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