رقعة لمسية جديدة تنقل تعقيدات اللمس إلى الجلد
يقوم الجهاز بتقديم أحاسيس مختلفة، بما في ذلك الاهتزازات والضغط والالتواء
يمكن لجهاز رفيع ومرن أن يساعد الأشخاص الذين يعانون من إعاقات بصرية على “الشعور” بالبيئة المحيطة بهم. يتكون الجهاز من مجموعة سداسية من 19 محركًا مغلفة بالسيليكون الناعم. يستخدم الجهاز الطاقة فقط عندما تغير المحركات موضعها، ويعمل لفترات أطول من الوقت بشحنة بطارية واحدة.
نجح فريق من المهندسين بقيادة جامعة نورث وسترن في تطوير نوع جديد من الأجهزة القابلة للارتداء والتي تعمل على تحفيز الجلد لتقديم أحاسيس معقدة مختلفة.
يلتصق الجهاز الرقيق والمرن بالجلد بلطف، مما يوفر تجارب حسية أكثر واقعية وغامرة. وعلى الرغم من أن الجهاز الجديد مناسب بشكل واضح للألعاب والواقع الافتراضي (VR)، إلا أن الباحثين يتصورون أيضًا تطبيقات في مجال الرعاية الصحية. على سبيل المثال، يمكن للجهاز مساعدة الأشخاص الذين يعانون من ضعف البصر على “الشعور” بالبيئة المحيطة بهم أو تقديم ملاحظات للأشخاص الذين لديهم أطراف اصطناعية.
وستُنشر الدراسة يوم الأربعاء (6 نوفمبر) في مجلة Nature .
يُعد هذا الجهاز أحدث تقدم في مجال التكنولوجيا القابلة للارتداء من رائد الإلكترونيات الحيوية في نورث وسترن جون أ. روجرز. وتستند الدراسة الجديدة إلى العمل المنشور في عام 2019 في مجلة Nature ، حيث قدم فريقه “الواقع الافتراضي البشروي”، وهو نظام متصل بالجلد يتواصل باللمس من خلال مجموعة من المحركات الاهتزازية المصغرة عبر مناطق كبيرة من الجلد، مع التحكم اللاسلكي السريع.
قال روجرز: “إن محركاتنا المصغرة الجديدة للجلد أكثر قدرة بكثير من “الأجهزة الطنانة” البسيطة التي استخدمناها كمركبات توضيحية في ورقتنا الأصلية لعام 2019″. “على وجه التحديد، يمكن لهذه الأجهزة الصغيرة توصيل قوى محكومة عبر مجموعة من الترددات، مما يوفر قوة ثابتة دون تطبيق مستمر للطاقة. يسمح إصدار إضافي لنفس المحركات بتوفير حركة التواء لطيفة على سطح الجلد لتكملة القدرة على توصيل القوة الرأسية، مما يضيف الواقعية إلى الأحاسيس”.
روجرز هو أستاذ لويس أ. سيمبسون وكيمبرلي كويري لعلوم وهندسة المواد والهندسة الطبية الحيوية وجراحة الأعصاب، وله تعيينات في كلية ماكورميك للهندسة وكلية فاينبرج للطب بجامعة نورث وسترن. كما يدير معهد كويري سيمبسون للإلكترونيات الحيوية.
وقد قاد روجرز العمل بالاشتراك مع يونجانج هوانج من جامعة نورث وسترن، أستاذ جان ومارسيا آخينباخ في الهندسة الميكانيكية في ماكورميك؛ وهانكينج جيانج من جامعة ويستليك في الصين؛ وزهاوتشيان شيه من جامعة داليان للتكنولوجيا في الصين. وقد بنى فريق جيانج الهياكل المعدلة الصغيرة اللازمة لتمكين الحركات الملتوية.
الاستفادة من الطاقة المخزنة في الجلد
يتألف الجهاز الجديد من مجموعة سداسية من 19 محركًا مغناطيسيًا صغيرًا محاطًا بمادة شبكية رقيقة ومرنة من السيليكون. ويمكن لكل محرك أن يقدم أحاسيس مختلفة، بما في ذلك الضغط والاهتزاز والالتواء. وباستخدام تقنية البلوتوث في الهاتف الذكي، يتلقى الجهاز بيانات حول محيط الشخص لترجمتها إلى ردود فعل لمسية – استبدال إحساس (مثل الرؤية) بآخر (اللمس).
على الرغم من أن الجهاز يعمل ببطارية صغيرة، إلا أنه يوفر الطاقة باستخدام تصميم “ثنائي الاستقرار” الذكي. وهذا يعني أنه يمكن أن يظل في وضعين مستقرين دون الحاجة إلى إدخال طاقة مستمر. عندما تضغط المحركات لأسفل، فإنها تخزن الطاقة في الجلد وفي البنية الداخلية للجهاز. وعندما تدفع المحركات لأعلى، يستخدم الجهاز كمية صغيرة من الطاقة لإطلاق الطاقة المخزنة. لذا، لا يستخدم الجهاز الطاقة إلا عندما تغير المحركات موضعها. وبفضل هذا التصميم الموفر للطاقة، يمكن للجهاز العمل لفترات أطول من الوقت بشحنة بطارية واحدة.
قال ماثيو فلافين، المؤلف الأول للورقة البحثية: “بدلاً من محاربة الجلد، كانت الفكرة في النهاية هي استخدام الطاقة المخزنة في الجلد ميكانيكيًا كطاقة مرنة واستعادة ذلك أثناء تشغيل الجهاز”. “تمامًا مثل شد شريط مطاطي، فإن ضغط الجلد المرن يخزن الطاقة. يمكننا بعد ذلك إعادة تطبيق هذه الطاقة أثناء تقديم ردود الفعل الحسية، وكان هذا في النهاية الأساس لكيفية إنشاء هذا النظام الموفر للطاقة حقًا”.
في وقت إجراء البحث، كان فلافين باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر روجرز. وهو الآن أستاذ مساعد في الهندسة الكهربائية والحاسوبية في معهد جورجيا للتكنولوجيا.
الاستبدال الحسي
ولاختبار الجهاز، قام الباحثون بتغطية أعين أشخاص أصحاء لاختبار قدرتهم على تجنب الأشياء في طريقهم، وتغيير وضعية القدم لتجنب الإصابة، وتغيير وضعيتهم لتحسين التوازن.
تضمنت إحدى التجارب شخصًا يتنقل عبر مسار عبر أشياء تعترض طريقه. ومع اقتراب الشخص من شيء ما، أرسل الجهاز ردود فعل في شكل شدة الضوء في الزاوية اليمنى العليا. ومع اقتراب الشخص من الشيء، أصبحت ردود الفعل أكثر شدة، واقترب من مركز الجهاز.
وبعد فترة قصيرة من التدريب، تمكن المشاركون الذين يستخدمون الجهاز من تغيير سلوكهم في الوقت الحقيقي. وعن طريق استبدال المعلومات البصرية بالمعلومات الميكانيكية، قال فلافين: “سوف يعمل الجهاز بشكل مشابه جدًا لكيفية عمل العصا البيضاء، لكنه يدمج معلومات أكثر مما قد يتمكن شخص ما من الحصول عليه بمساعدة أكثر شيوعًا”.
وقال روجرز “كأحد الأمثلة العديدة للتطبيق، نظهر أن هذا النظام يمكنه دعم نسخة أساسية من “الرؤية” في شكل أنماط لمسية يتم توصيلها إلى سطح الجلد بناءً على البيانات التي تم جمعها باستخدام وظيفة التصوير ثلاثي الأبعاد (LiDAR) المتوفرة على الهواتف الذكية”. “يوفر هذا النوع من “الاستبدال الحسي” إحساسًا بدائيًا، ولكنه ذو معنى وظيفي، بالبيئة المحيطة بالفرد دون الاعتماد على البصر – وهي قدرة مفيدة للأفراد الذين يعانون من ضعف البصر”.