Weiche, dehnbare Elektrode simuliert Berührungsempfindungen durch elektrische Signale

Ein Forscherteam unter der Leitung der University of California San Diego hat ein weiches, dehnbares elektronisches Gerät entwickelt, das beim Tragen auf der Haut das Gefühl von Druck oder Vibration simulieren kann. Dieses Gerät, über das in einem Artikel berichtet wurde, veröffentlicht In Wissenschaft Robotikstellt einen Schritt in Richtung der Entwicklung haptischer Technologien dar, die ein vielfältigeres und realistischeres Spektrum an Berührungsempfindungen reproduzieren können.

Das Gerät besteht aus einer weichen, dehnbaren Elektrode, die an einem Silikonpflaster befestigt ist. Es kann wie ein Aufkleber entweder an der Fingerspitze oder am Unterarm getragen werden. Die Elektrode, die in direktem Kontakt mit der Haut steht, ist über Kabel mit einer externen Stromquelle verbunden. Indem das Gerät einen leichten elektrischen Strom durch die Haut schickt, kann es je nach Signalfrequenz entweder Druck- oder Vibrationsempfindungen erzeugen.

„Unser Ziel ist es, ein tragbares System zu schaffen, das mithilfe elektrischer Signale ein breites Spektrum an Berührungsempfindungen vermitteln kann – ohne dem Träger Schmerzen zuzufügen“, sagte Rachel Blau, Co-Erstautorin der Studie und Postdoktorandin für Nanotechnik an der UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Bestehende Technologien, die durch elektrische Stimulation ein Tastgefühl nachbilden, verursachen oft Schmerzen, da starre Metallelektroden verwendet werden, die sich nicht gut an die Haut anpassen. Die Luftspalte zwischen diesen Elektroden und der Haut können zu schmerzhaften elektrischen Strömen führen.

Um diese Probleme zu lösen, entwickelten Blau und ein Forscherteam unter der Leitung von Darren Lipomi, Professor am Fachbereich für Chemie- und Nanotechnik der Aiiso Yufeng Li Family an der UC San Diego, eine weiche, dehnbare Elektrode, die sich nahtlos an die Haut anpasst.

Die Elektrode besteht aus einem neuen Polymermaterial, das aus den Bausteinen zweier bestehender Polymere aufgebaut ist: einem leitfähigen, starren Polymer namens PEDOT:PSS und einem weichen, dehnbaren Polymer namens PPEGMEA. „Durch die Optimierung des Verhältnisses dieser [polymer building blocks]haben wir auf molekularer Ebene ein Material entwickelt, das sowohl leitfähig als auch dehnbar ist“, sagte Blau.

Die Polymerelektrode wird mit einem Laser in eine federförmige, konzentrische Form geschnitten und an einem Silikonsubstrat befestigt. „Dieses Design verbessert die Dehnbarkeit der Elektrode und stellt sicher, dass der elektrische Strom auf eine bestimmte Stelle auf der Haut zielt und so eine lokalisierte Stimulation bewirkt, die Schmerzen verhindert“, sagte Abdulhameed Abdal, Doktorand in der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UC San Diego und der andere Co-Erstautor der Studie. Abdal und Blau arbeiteten an der Synthese und Herstellung der Elektrode mit den Nanotechnik-Studenten Yi Qie, Anthony Navarro und Jason Chin von der UC San Diego.

Bei Tests wurde das Elektrodengerät von 10 Teilnehmern am Unterarm getragen. In Zusammenarbeit mit Verhaltensforschern und Psychologen der Universität Amsterdam ermittelten die Forscher zunächst die niedrigste nachweisbare elektrische Stromstärke. Anschließend passten sie die Frequenz der elektrischen Stimulation an, sodass die Teilnehmer Empfindungen erleben konnten, die als Druck oder Vibration kategorisiert wurden.

„Wir haben festgestellt, dass die Teilnehmer bei einer Erhöhung der Frequenz eher Vibrationen als Druck verspürten“, sagte Abdal. „Das ist interessant, weil biophysikalisch nie genau bekannt war, wie Strom von der Haut wahrgenommen wird.“

Die neuen Erkenntnisse könnten den Weg für die Entwicklung fortschrittlicher haptischer Geräte für Anwendungen wie virtuelle Realität, medizinische Prothetik und tragbare Technologie ebnen.