گروهی از مهندسان به سرپرستی دانشگاه Northwestern، دستگاه پوشیدنی پیشرفته‌ای طراحی کرده‌اند که با تحریک پوست، طیفی از احساسات پیچیده از جمله لرزش، فشار و پیچش را شبیه‌سازی می‌کند.
به گزارش تکناک، این دستگاه نازک و انعطاف‌پذیر به‌آرامی روی پوست قرار می‌گیرد و تجربه‌ای واقعی‌تر و فراگیرتر از حس لامسه ارائه می‌دهد. علاوه بر کاربردهای آن در حوزه بازی و واقعیت مجازی (VR)، محققان معتقد هستند که این فناوری می‌تواند در زمینه پزشکی نیز مفید باشد. به عنوان مثال، این دستگاه می‌تواند به افراد دارای نقص بینایی کمک نماید تا محیط اطراف خود را احساس کنند، یا به کاربران اندام‌های مصنوعی بازخورد لمسی ارائه دهد.
این فناوری جدید در ادامه پژوهش‌های جان راجرز، پیشگام بیوالکترونیک در دانشگاه Northwestern توسعه یافته است. این مطالعه بر پایه تحقیقاتی انجام شده است که تیم او در سال ۲۰۱۹ در Nature منتشر کرد و در آن، سیستم «اپیدرمال VR» معرفی شد؛ سامانه‌ای که با استفاده از مجموعه‌ای از محرک‌های ارتعاشی کوچک، احساس لمس را از طریق یک کنترل بی‌سیم سریع در نواحی وسیعی از پوست شبیه‌سازی می‌کند.
فهرست مطالب
تحول در فناوری محرک‌های پوستی
راجرز در توضیح ویژگی‌های دستگاه جدید گفت: «محرک‌های کوچکی که اکنون برای پوست طراحی کرده‌ایم، بسیار پیشرفته‌تر از نمونه‌های ساده‌ای هستند که در مقاله ۲۰۱۹ معرفی کردیم. این دستگاه‌های کوچک می‌توانند نیروهای کنترل‌شده‌ای را در محدوده فرکانس‌های مختلف اعمال کنند و بدون نیاز به مصرف مداوم انرژی، نیرویی پایدار ایجاد نمایند. علاوه بر این، نسخه‌ای از دستگاه قادر است حرکات پیچشی ملایمی را روی سطح پوست اعمال کند، که در کنار نیروی عمودی، تجربه‌ای واقع‌گرایانه‌تر را ارائه می‌دهد.»
راجرز، استاد علوم و مهندسی مواد، مهندسی زیست‌پزشکی و جراحی مغز و اعصاب در Northwestern است و ریاست مؤسسه Querrey Simpson را برای بیوالکترونیک بر عهده دارد.
این پژوهش به سرپرستی او و با همکاری Yonggang Huang، استاد مهندسی مکانیک، Hanqing Jiang از دانشگاه Westlake چین و Zhaoqian Xie از دانشگاه فناوری دالیان چین انجام شده است. تیم Jiang نیز وظیفه طراحی ساختارهای کوچک مورد نیاز برای ایجاد حرکات پیچشی را بر عهده داشته است.
استفاده هوشمندانه از انرژی ذخیره‌شده در پوست
این دستگاه پوشیدنی از یک آرایه شش‌ضلعی شامل ۱۹ محرک مغناطیسی کوچک تشکیل شده است، که درون یک لایه سیلیکونی نازک و انعطاف‌پذیر قرار گرفته‌اند. هر یک از این محرک‌ها قادر هستند حس‌هایی مانند: فشار، لرزش و پیچش را منتقل کنند. دستگاه با استفاده از فناوری Bluetooth و اتصال به گوشی هوشمند، اطلاعات محیط را دریافت و آن را به بازخورد لمسی تبدیل می‌کند. این قابلیت، امکان جایگزینی یک حس (مانند بینایی) با حس دیگر (مانند لمس) را فراهم می‌آورد.
با وجود تأمین انرژی از طریق یک باتری کوچک، دستگاه به‌گونه‌ای طراحی شده است که مصرف انرژی را به حداقل برساند. این سیستم بر پایه یک طراحی «دوحالت پایدار» عمل می‌کند، به این معنا که می‌تواند بدون نیاز به تأمین مداوم انرژی در دو وضعیت پایدار باقی بماند. هنگامی که محرک‌ها فشرده می‌شوند، انرژی در پوست و ساختار داخلی دستگاه ذخیره می‌گردد. سپس، در زمان بازگشت محرک‌ها به حالت اولیه، دستگاه از مقدار کمی انرژی برای آزادسازی انرژی ذخیره‌شده استفاده می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود که دستگاه تنها در زمان تغییر موقعیت محرک‌ها انرژی مصرف نماید و بتواند برای مدت طولانی با یک بار شارژ کار کند.
متیو فلاوین، نویسنده اصلی این پژوهش در این‌باره توضیح داد:
«هدف ما این بود که از انرژی ذخیره‌شده در پوست به عنوان یک منبع مکانیکی استفاده کنیم و آن را در حین عملکرد دستگاه بازیابی نماییم. درست مانند کشیدن یک نوار لاستیکی که هنگام کشیدگی، انرژی ذخیره و سپس آزاد می‌کند، ما نیز توانستیم از این خاصیت در طراحی این سیستم کم‌مصرف بهره بگیریم.»
حس لامسه دستگاه پوشیدنی جایگزین بینایی
محققان برای ارزیابی عملکرد این دستگاه، از افراد سالم خواستند که با چشمان بسته مسیر خود را از میان موانع پیدا و جای پای خود را برای جلوگیری از آسیب تنظیم کنند. همچنین آزمایش‌هایی برای بررسی تأثیر این فناوری بر تعادل افراد انجام شد.
در یکی از این آزمایش‌ها، فرد نابینا از طریق مسیری که موانع در آن قرار داشت، حرکت می‌کرد. هنگامی که فرد به مانع نزدیک می‌شد، دستگاه بازخوردی ملایم را در گوشه بالایی سمت راست خود ارسال می‌کرد. هرچه فاصله کمتر می‌شد، شدت بازخورد افزایش می‌یافت و نقطه تأثیر آن به مرکز دستگاه نزدیک‌تر می‌شد.
شرکت‌کنندگان پس از یک دوره کوتاه آموزش توانستند رفتار خود را متناسب با بازخورد لمسی تنظیم کنند. فلاوین در این رابطه گفت: «این دستگاه، اطلاعات بصری را با اطلاعات مکانیکی جایگزین می‌کند و عملکردی مشابه عصای سفید دارد، اما اطلاعات بیشتری را نسبت به وسایل کمکی معمول ارائه می‌دهد.»
راجرز نیز در مورد این فناوری بیان کرد:
«این سیستم می‌تواند شکل ابتدایی از بینایی را از طریق ارسال الگوهای لمسی بر اساس داده‌های ثبت‌شده توسط قابلیت تصویربرداری سه‌بعدی (LiDAR) در گوشی‌های هوشمند ارائه دهد. این نوع جایگزینی حسی هرچند ساده است، اما می‌تواند درک بهتری از محیط اطراف بدون وابستگی به بینایی برای افراد دارای نقص بینایی فراهم کند.»
