Een nieuw type druksensor op basis van licht zou de creatie van gevoelige kunstmatige huiden mogelijk maken om robots een beter tastgevoel te geven, draagbare bloeddrukmeters voor mensen en optisch transparante touchscreens en apparaten.

In het tijdschrift Optical Society (OSA) Optica Letters , onderzoekers rapporteren over een sensor die druk detecteert door veranderingen te analyseren in de hoeveelheid licht die door kleine tunnels gaat die zijn ingebed in polydimethylsiloxaan (PDMS), een veelvoorkomend type siliconen. De flexibele, transparant apparaat is gevoelig voor zelfs lichte druk en is minder storingsgevoelig in vergelijking met eerdere typen druksensoren. Het moet ook mogelijk zijn om de ingebouwde optische sensoren over een groot oppervlak te integreren, zeggen onderzoekers.

"Het siliconenvel kan op displaypanelen worden geplaatst om touchscreens mogelijk te maken, of kan op robotoppervlakken worden gewikkeld als een kunstmatige huidlaag voor tactiele interacties, " zegt Suntak Park, Onderzoeksinstituut voor elektronische en telecommunicatie, Daejeon, Zuid-Korea. "Aangezien PDMS een zeer bekende biocompatibele, niet giftig materiaal, het sensorvel kan zelfs op of in het menselijk lichaam worden aangebracht, bijvoorbeeld, bloeddruk te controleren."

Het meten van drukverdeling over een gekromd oppervlak kan van belang zijn in onderzoeksgebieden als aerodynamica en vloeistofdynamica. Park zegt dat de sensoren nuttig kunnen zijn voor het bestuderen van drukgerelateerde effecten op de oppervlakken van vliegtuigen, auto's en schepen.

Interferentie vermijden

De meeste bestaande druksensoren zijn gebaseerd op elektronica. Piëzoresistieve sensoren, bijvoorbeeld, die vaak worden gebruikt als versnellingsmeters, flowmeters en luchtdruksensoren, hun elektrische weerstand veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan mechanische belasting. Het probleem met elektronische systemen is dat ze onderhevig kunnen zijn aan elektromagnetische interferentie van stroombronnen, instrumenten en geladen voorwerpen in de buurt. Ze bevatten ook metalen onderdelen, die licht kunnen blokkeren en onderhevig zijn aan corrosie.

"Onze aanpak is vrijwel vrij van dergelijke problemen omdat het sensorapparaat is ingebed in het midden van een vel gemaakt van siliconenrubber, " zegt Park. "In vergelijking met elektrische benaderingen, onze optische benadering is bijzonder geschikt voor toepassingen die profiteren van de haalbaarheid van grote oppervlakken, weerstand tegen elektromagnetische interferentie, en hoge visuele transparantie."

Druk voelen met licht

Het apparaat werkt door de lichtstroom te meten door een nauwkeurig opgesteld paar minuscule buisjes die bekend staan ​​als een fotonische tunnel-junctie-array. "De drukgevoelige fotonische tunnel-junctie-array bestaat uit lichtgeleidende kanalen waar externe druk de helderheid van het licht dat erdoorheen wordt doorgelaten verandert, " zegt Park. "Dit is vergelijkbaar met hoe een klep of kraan werkt op een stroomsplitsend knooppunt."

de buizen, of golfgeleiders, lopen parallel aan elkaar en zijn ingebed in PDMS. Over een deel van hun lengte zijn ze dicht genoeg bij het licht dat door de eerste buis gaat, kanaal 1, kan overgaan in de tweede, kanaal 2. Wanneer er druk wordt uitgeoefend, het PDMS is gecomprimeerd, de afstand tussen de kanalen veranderen en meer licht in kanaal 2 laten komen. De druk veroorzaakt ook een verandering in de brekingsindex van de PDMS, het licht veranderen.

Licht komt het apparaat binnen via een optische vezel aan de ene kant en wordt opgevangen door een fotodiode aan de andere kant. Naarmate de druk toeneemt, er komt meer licht in kanaal 2 en minder in kanaal 1. Het meten van de helderheid van het licht dat uit het uiteinde van elk kanaal komt, vertelt de onderzoekers hoeveel druk er werd uitgeoefend.

Hoewel er andere optische druksensoren zijn ontwikkeld, dit is de eerste die de detectiestructuur in PDMS heeft ingebed. Door ingebed te zijn, wordt het beschermd tegen verontreinigingen.

Het op de proef stellen

Om het apparaat te testen, plaatsten de onderzoekers een "persstomp" bovenop de sensor en voerden ze geleidelijk de druk op. In een sensor die 5 mm lang was ingebed in een 50 µm dik vel PDMS, de onderzoekers maten een verandering in optisch vermogen van 140% bij een druk van ongeveer 40 kilopascal (kPa). Deze proof-of-concept-demonstratie suggereert dat het apparaat in staat is om druk te detecteren zo laag als 1 kPa, ongeveer hetzelfde gevoeligheidsniveau als een menselijke vinger. De verandering in bloeddruk tussen hartslagen is ongeveer 5 kPa.

Park zegt dat er verschillende stappen nodig zijn om de sensor van een laboratoriumdemonstratie naar een praktisch apparaat te verplaatsen. Een daarvan is het ontwikkelen van een eenvoudigere manier om de optische vezels te bevestigen die licht in en uit de sensor bewegen. Bij de ontwikkeling van hun prototype, het onderzoeksteam gebruikte precisie-uitlijningstools, wat te duur en tijdrovend zou zijn om in de meeste commerciële toepassingen te gebruiken. Een alternatieve benadering, bekend als vlechtvezels, die telecommunicatiebedrijven gebruiken om vezels in hun systemen te koppelen, moet het proces vergemakkelijken.

In aanvulling, het team testte hun aanpak met een 1-dimensionale sensor, terwijl de meeste toepassingen een 2-dimensionale reeks sensoren zouden vereisen. Dat kan waarschijnlijk worden bereikt door een eendimensionale plaat 90 graden te draaien en op een andere te plaatsen, het creëren van een gearceerde array. De grootte van de sensoren en de afstand ertussen zou waarschijnlijk ook moeten worden geoptimaliseerd voor verschillende toepassingen.