Cientistas criam pele eletrônica que dá tato a próteses

Uma pele eletrônica impressa em 3D reconheceu texturas e materiais como aço, madeira e papelão ao deslizar sobre eles. O sistema acompanha a curva de próteses de mão sem perder resolução de sensor.

Pesquisadores da Washington State University e da Stony Brook University, nos Estados Unidos, descreveram o dispositivo na revista Cell Reports Physical Science.

O conjunto reúne 170 pixels de pressão no dedo e na palma, numa densidade de cerca de 6 pixels por centímetro quadrado, mais 14 pontos de medição de temperatura no dedo. A pilha de camadas fica abaixo de 2 milímetros de espessura.

Pela medição do grupo, a resolução espacial chega a ser dez vezes mais fina que a de sensores comerciais embutidos em luvas. O espaçamento entre pixels de pressão, de 2 a 5 milímetros, imita a distribuição dos mecanorreceptores de Merkel, as terminações nervosas que detectam detalhes finos na pele humana.

Como o sensor separa textura de material

O dispositivo usa dois canais de leitura ao mesmo tempo. Para textura, o módulo do dedo desliza 30 milímetros sobre a amostra a 15 milímetros por segundo, com pressão constante de 1 newton, num trajeto de 2,2 segundos. O relevo aparece como oscilação repetida na resistência elétrica dos pixels de pressão.

Para material, o dedo apenas encosta e fica parado por 10 segundos. Um filme aquecedor de poliimida mantém a superfície do sensor perto de 30 graus Celsius, enquanto as amostras ficam a cerca de 20 graus. A velocidade com que o calor escapa denuncia o que está do outro lado. Os testes cobriram alumínio, aço, resina, fibra, papelão e madeira, além de quatro padrões de relevo em resina.

A rede neural corrige o que o sensor erra sozinho

O ganho de precisão veio do software. Os pesquisadores treinaram uma rede neural com 468 mapas de pressão e 16.848 medições, obtidos com cargas de 0 a 120 quilopascais aplicadas em passos de 10.

A acurácia na identificação do pixel tocado subiu de 81% para 96,7%. O erro médio na estimativa de força caiu de 0,307 para 0,172 newton. Em pressão, o erro médio a 100 quilopascais recuou de cerca de 30 para aproximadamente 8,5 quilopascais. Num módulo curvo de 12 pixels, a mesma calibragem alcançou 97,2% de acerto.

Fabricação em menos de 24 horas, sem sala limpa

O método batizado de “scan-model-print” (ou “digitalização-modelo-impressão”) começa com um escâner de luz estruturada, que registra a geometria da prótese em cerca de 120 segundos com precisão de 100 micrômetros. O modelo passa por Autodesk Fusion 360 e Rhino 8, onde o desenho plano dos sensores se acomoda à superfície curva.

As camadas estruturais saem de uma impressora de estereolitografia com resina flexível. Eletrodos e conectores vêm de laminados de cobre cortados a laser e tratados quimicamente. Os módulos encaixam uns nos outros por presilhas, sem cola, como peças de Lego, o que permite trocar uma parte danificada sem refazer o sistema inteiro.

“Nosso principal método de fabricação, com impressão 3D e corte a laser, é relativamente simples, então pode ser relativamente barato e conveniente”, disse Kaiyan Qiu, professor da School of Mechanical and Materials Engineering da Washington State University e autor correspondente do estudo.

O que ainda falta para chegar ao usuário

Nenhum amputado testou o sistema. O trabalho publicado mede desempenho do sensor em bancada, não ganho funcional em pessoas.

Falta também a outra metade do problema, que consiste em converter o sinal captado em estímulo para os nervos do usuário. O grupo trabalha nesse atuador, mas sem prazo divulgado. Outras restrições aparecem no próprio artigo. Os termistores levam cerca de 1,4 segundo para completar 60% da resposta térmica, o que é mais lento que sensores líquidos. A faixa de pressão testada vai até 120 quilopascais. A montagem final ainda é manual no estágio de protótipo.

“Este trabalho lança uma base importante para uma pele biônica completa, com funções de sensoriamento e de estimulação háptica em próteses”, disse Hongyi Shen, estudante de pós-graduação da mesma escola e primeiro autor do artigo.

Os pesquisadores já protocolaram uma declaração de invenção para patente provisória. Porém, não há prazo para teste em usuários de prótese nem para aprovação regulatória.