De opwindende toepassingen van draagbare sensoren hebben de afgelopen jaren geleid tot een enorme hoeveelheid onderzoeks- en bedrijfsinvesteringen. Sensoren die aan het lichaam zijn bevestigd of in kleding zijn geïntegreerd, kunnen atleten en fysiotherapeuten in staat stellen hun voortgang te volgen, bieden een meer gedetailleerd niveau van motion capture voor computerspelletjes of animatie, help engineers bij het bouwen van robots met een lichtere aanraking of vorm de basis voor nieuwe soorten realtime gezondheidsmonitoren.

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met hoge impact, een team onder leiding van Changxi Yang van het State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments aan de Tsinghua University in Beijing biedt de eerste demonstratie van optische vezels die stevig genoeg zijn om een ​​breed scala aan menselijke bewegingen waar te nemen.

De nieuwe vezel is gevoelig en flexibel genoeg om gewrichtsbewegingen te detecteren, in tegenstelling tot de momenteel gebruikte glasvezelsensoren. "Deze nieuwe techniek biedt een glasvezelaanpak voor het meten van extreem grote vervormingen, "zei Yang. "Het is draagbaar, monteerbaar en bezit ook intrinsieke voordelen van optische vezels zoals inherente elektrische veiligheid en immuniteit voor elektromagnetische interferentie."

Problemen met rekken

Optische vezels worden al jaren gebruikt voor spanningsdetectie op bruggen en gebouwen; rek of buig de vezel een beetje en het licht dat er doorheen gaat, wordt verschoven op een manier die gemakkelijk kan worden opgepikt door een monitor. Traditioneel waren optische vezels niet de beste keuze voor spanningsdetectie op het menselijk lichaam, omdat ze meestal van plastic of glas zijn gemaakt. die stijf zijn en niet goed buigen. Een silica glasvezel, bijvoorbeeld, kan een maximale belasting van minder dan 1 procent aan, terwijl een buigende vingerverbinding het met meer dan 30 procent zou belasten.

Deze barrière heeft ertoe geleid dat de meeste draagbare sensorontwikkelingen tot nu toe gebaseerd zijn op elektronische sensoren. Deze sensoren detecteren beweging door veranderingen in elektrische eigenschappen te meten, zoals weerstand als de sensor buigt. Echter, deze systemen zijn moeilijk te miniaturiseren, kunnen hun elektrische lading verliezen en zijn gevoelig voor elektromagnetische interferentie van apparaten zoals auto's en mobiele telefoons. Een buigbare optische vezel zou deze problemen kunnen voorkomen en mogelijk draagbare apparaten kunnen creëren die stabieler en duurzamer zijn dan apparaten op basis van elektronica.

Eenvoudige siliconen

Toen de onderzoekers op zoek gingen naar een vezel die bestand was tegen de hoeveelheid buigen en strekken die gepaard gaat met menselijke bewegingen, ze probeerden eerst vezels van hydrogel, een zachte, geleiachtige substantie die stammen tot 700 procent kan bevatten. Maar hydrogel bestaat voornamelijk uit water, en werkte daarom alleen in natte omgevingen. Bij blootstelling aan lucht, de vezels droogden snel uit en krimpen.

Bij een tweede poging, Yang en zijn studenten, Jingjing Guo en Mengxuan Niu, ontwikkelde een vezel gemaakt van siliconen, met name een zacht polymeer genaamd polydimethylsiloxaan (PDMS). Ze creëerden de vezel door de vloeibare siliconen in een buisvormige mal te doen en deze 40 minuten te verwarmen tot 80 ° C (176 ° F) om het dikker te krijgen, gebruikte vervolgens waterdruk om een ​​dunne vezel uit het ene uiteinde van de mal te duwen. Ze hebben de resulterende vezels onderworpen aan een uitgebreide reeks tests, zoals ze herhaaldelijk uitrekken om hun lengte te verdubbelen. Zelfs na 500 stukken, een vezel keerde nog steeds terug naar zijn oorspronkelijke lengte.

"De gefabriceerde PDMS-vezels vertoonden een uitstekende mechanische flexibiliteit, en kon gemakkelijk worden vastgebonden en gedraaid, "zei Yang. Wat meer is, toen het team de diameter van de geproduceerde vezels verkleinde, van 2 millimeter tot 0,5 millimeter, de mechanische sterkte van de vezels nam zelfs toe.

Om te helpen bij het voelen, de onderzoekers mengden een fluorescerende kleurstof genaamd Rhodamine B in de siliconen. Als er licht door de vezel schijnt, een deel van het licht wordt geabsorbeerd door de kleurstof - hoe meer de vezel zich uitrekt, hoe meer licht de kleurstof absorbeert. Dus simpelweg meten van het doorgelaten licht met een spectroscoop geeft een meting van hoeveel de vezel wordt uitgerekt of gebogen, die een waarnemer vertelt over de beweging van elk lichaamsdeel waaraan het is bevestigd.

De handschoentest

De onderzoekers testten dat idee door hun vezels met epoxy aan een rubberen handschoen te lijmen, en vervolgens het observeren terwijl een drager zijn vingers spande en uitstak. Tijdens die beweging, ze maten een spanning in de vezel van 36 procent, in lijn met wat anderen hadden gemeten met behulp van elektronische sensoren.

"De opmerkelijke flexibiliteit en rekbaarheid van de PDMS-vezel maakt het bijzonder aantrekkelijk voor het detecteren van grote spanningen, " zei Yang, eraan toevoegend dat dit de eerste keer is dat onderzoekers een optische sensor hebben gebruikt om menselijke beweging vast te leggen.

De sensor presteerde ook goed in situaties met meer subtiele spanningen, zoals de minuscule bewegingen van de nekspieren als een persoon ademt of spreekt. "Alle resultaten laten zien dat de optische spanningssensor kan worden gebruikt voor het bewaken van verschillende menselijke bewegingen en een nieuwe benadering kan bieden voor het verkennen van mens-machine-interfaces, " zei Yang.

Het team testte hoe goed hun vezels spanning voelden over langere tijd en in verschillende omgevingen, zoals in water, glycerol en lucht. Ze leerden dat de vezels goed standhielden, hoewel de detectienauwkeurigheid in verschillende omgevingen veranderde, suggereert dat apparaten die op optische vezels gebaseerde sensoren gebruiken, moeten worden gekalibreerd voor de specifieke omgeving waarin ze zouden worden gebruikt.

Het team verlichtte de vezel door deze aan een halogeenlamp te bevestigen, en gemeten het licht dat er doorheen gaat met een spectrometer. Om de technologie aan te passen om een ​​draagbaar apparaat te maken, Yang zei dat het mogelijk moet zijn om een ​​compacte lichtbron en spectrometer te ontwikkelen die gemakkelijk op het lichaam kan worden gedragen.