I den første til bærbar optik, forskere udvikler elastisk fiber til at fange kropsbevægelse

De spændende anvendelser af bærbare sensorer har udløst en enorm mængde forskning og forretningsinvesteringer i de seneste år. Sensorer fastgjort til kroppen eller integreret i tøj kan give atleter og fysioterapeuter mulighed for at overvåge deres fremskridt, give et mere detaljeret niveau for motion capture til computerspil eller animationer, hjælpe ingeniører med at bygge robotter med et lettere tryk eller danne grundlag for nye typer sundhedsmonitorer i realtid.

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, et team ledet af Changxi Yang fra State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments ved Tsinghua University i Beijing tilbyder den første demonstration af optiske fibre, der er robuste nok til at fornemme en bred vifte af menneskelig bevægelse.

Den nye fiber er følsom og fleksibel nok til at den kan registrere ledbevægelser, i modsætning til i øjeblikket anvendte fibersensorer. "Denne nye teknik giver en fiberoptisk tilgang til måling af ekstremt store deformationer, "sagde Yang." Det er bærbart, kan monteres og besidder også iboende fordele ved optiske fibre, såsom iboende elektrisk sikkerhed og immunitet over for elektromagnetisk interferens. "

Problemer med at strække

Optiske fibre har været brugt til belastningsføling på broer og bygninger i årevis; stræk eller bøj fiberen lidt, og lys, der går igennem den, forskydes på en måde, der let kan hentes af en skærm. Traditionelt har optiske fibre ikke været det bedste valg til belastningsføling på menneskekroppen, fordi de typisk er lavet af plast eller glas, som er stive og ikke bøjer godt. En silica glasfiber, for eksempel, kan klare en maksimal belastning på mindre end 1 procent, mens en bøjende fingerled ville belaste den med mere end 30 procent.

Denne barriere har betydet, at de fleste bærbare sensorudviklinger hidtil har været baseret på elektroniske sensorer. Disse sensorer registrerer bevægelse ved at måle ændringer i elektriske egenskaber, såsom modstand, når sensoren bøjer. Imidlertid, disse systemer er svære at miniaturere, kan miste deres elektriske ladning og er følsomme over for elektromagnetisk interferens fra enheder som f.eks. biler og mobiltelefoner. En bøjelig optisk fiber kunne undgå disse problemer og potentielt skabe bærbare enheder, der er mere stabile og bæredygtige end dem, der er baseret på elektronik.

Enkel silikone

Da forskerne begyndte at lede efter en fiber, der kunne klare den bøjning og strækning, der er involveret i menneskelige bevægelser, de prøvede først fibre lavet af hydrogel, en blød, geléagtigt stof, der kan rumme stammer på op til 700 procent. Men hydrogel består for det meste af vand, og fungerede derfor kun i våde miljøer. Når den udsættes for luft, fibrene tørrede hurtigt ud og krympet.

I et andet forsøg, Yang og hans elever, Jingjing Guo og Mengxuan Niu, udviklet en fiber fremstillet af silikone - specifikt en blød polymer kaldet polydimethylsiloxan (PDMS). De skabte fiberen ved at lægge den flydende silikone i en rørformet form og opvarme den til 80 ° C (176 ° F) i 40 minutter for at få den til at tykne, brugte derefter vandtryk til at skubbe en tynd fiber ud af den ene ende af formen. De gennemførte de resulterende fibre gennem en detaljeret række tests, såsom gentagne gange at strække dem ud til at fordoble deres længde. Selv efter 500 strækninger, en fiber vendte stadig tilbage til sin oprindelige længde.

"De fremstillede PDMS -fibre udviste fremragende mekanisk fleksibilitet, og kunne let bindes og vrides, "sagde Yang. Hvad mere er, når teamet reducerede diameteren af ​​de fibre, de producerede, fra 2 millimeter til 0,5 millimeter, den mekaniske styrke af fibrene steg faktisk.

For at hjælpe med at registrere, forskerne blandede et fluorescerende farvestof kaldet Rhodamine B i silikonen. Når lyset skinner gennem fiberen, noget af lyset absorberes af farvestoffet - jo mere fiberen strækker sig, jo mere lys absorberer farvestoffet. Så simpelthen måling af det transmitterede lys med et spektroskop giver en måling af, hvor meget fiberen bliver strakt eller bøjet, som fortæller en observatør om bevægelsen af ​​enhver kropsdel, den er knyttet til.

Handsketesten

Forskerne testede den idé ved at lime deres fiber på en gummihandske med epoxy, og derefter overvåge det som en bærer bøjede og forlængede sine fingre. Under denne bevægelse, de målte en stamme i fiberen på 36 procent, i tråd med, hvad andre havde målt ved hjælp af elektroniske sensorer.

"Den bemærkelsesværdige fleksibilitet og strækbarhed af PDMS -fiberen gør den særligt attraktiv til registrering af store stammer, "sagde Yang, tilføjer, at det er første gang, forskere har brugt en optisk sensor til at fange menneskelig bevægelse.

Sensoren klarede sig også godt i situationer med mere subtile belastninger, såsom de små bevægelser af nakkemuskler, når en person trækker vejret eller taler. "Alle resultaterne viser, at den optiske belastningssensor kan bruges til overvågning af forskellige menneskelige bevægelser og kan give en ny tilgang til udforskning af mennesker-maskine-grænseflader, "sagde Yang.

Teamet testede, hvor godt deres fibre følte belastning over længere perioder og i forskellige miljøer, som i vand, glycerol og luft. De lærte, at fibrene holdt godt, selvom sansnøjagtigheden ændrede sig i forskellige miljøer, tyder på, at enheder, der bruger de optiske fiberbaserede sensorer, skulle kalibreres til det specifikke miljø, de ville blive brugt i.

Teamet belyste fiberen ved at fastgøre den til en halogenlampe, og målte lyset, der passerede det, med et spektrometer. For at tilpasse teknologien til at skabe en bærbar enhed, Yang sagde, at det skulle være muligt at udvikle en kompakt lyskilde og et spektrometer, der let kan bæres på kroppen.