Optisk trykdetektor kunne forbedre robothuden, bærbare enheder og berøringsskærme

En ny type tryksensor baseret på lys kunne tillade skabelsen af ​​følsomme kunstige skind for at give robotter en bedre følesans, bærbare blodtryksmålere til mennesker og optisk gennemsigtige berøringsskærme og enheder.

I tidsskriftet Optical Society (OSA). Optik bogstaver , forskere rapporterer om en sensor, der registrerer tryk ved at analysere ændringer i mængden af ​​lys, der rejser gennem små tunneler indlejret i polydimethylsiloxan (PDMS), en almindelig type silikone. Den fleksible, gennemsigtig enhed er følsom over for selv mildt tryk og er mindre tilbøjelig til at fejle sammenlignet med tidligere typer tryksensorer. Det burde også være muligt at inkorporere de indlejrede optiske sensorer på tværs af et stort overfladeareal, siger forskere.

"Silikonearket kan placeres på displaypaneler for at aktivere berøringsskærme, eller kan pakkes ind på robotoverflader som et kunstigt hudlag til taktile interaktioner, " siger Suntak Park, Elektronisk og telekommunikationsforskningsinstitut, Daejeon, Sydkorea. "I betragtning af at PDMS er en meget velkendt biokompatibel, ikke-giftigt materiale, sensorarket kan endda påføres på eller inde i den menneskelige krop, for eksempel, at overvåge blodtrykket."

Måling af trykfordeling over en buet overflade kan være vigtig inden for forskningsområder som aerodynamik og væskedynamik. Park siger, at sensorerne kunne være nyttige til at studere trykrelaterede effekter på flyets overflader, biler og skibe.

Undgå interferens

De fleste eksisterende tryksensorer er baseret på elektronik. Piezoresistive sensorer, for eksempel, som ofte bruges som accelerometre, flowmålere og lufttrykssensorer, ændre deres elektriske modstand, når de udsættes for mekanisk belastning. Problemet med elektroniske systemer er, at de kan blive udsat for elektromagnetisk interferens fra strømkilder, instrumenter og ladede genstande i nærheden. De indeholder også metalkomponenter, som kan blokere lyset og blive udsat for korrosion.

"Vores tilgang er næsten fri for sådanne problemer, fordi sensorenheden er indlejret i midten af ​​et ark lavet af silikonegummi, " siger Park. "Sammenlignet med elektriske tilgange, vores optiske tilgang er særligt velegnet til applikationer, der drager fordel af muligheder for store områder, modstand mod elektromagnetisk interferens, og høj visuel gennemsigtighed."

Føler tryk med lys

Enheden fungerer ved at måle strømmen af ​​lys gennem et præcist arrangeret par miniscule rør kendt som et fotonisk tunnel-junction-array. "Det trykfølsomme fotoniske tunnel-junction-array består af lysledende kanaler, hvor eksternt tryk ændrer lysstyrken af ​​det lys, der transmitteres gennem dem, " siger Park. "Dette svarer til, hvordan en ventil eller vandhane fungerer ved en flow-opdelingsknude."

Rørene, eller bølgeledere, kører parallelt med hinanden og er indlejret i PDMS. I en del af deres længde er de tæt nok på, at lyset passerer gennem det første rør, kanal 1, kan gå over i den anden, kanal 2. Når der påføres tryk, PDMS er komprimeret, at ændre afstanden mellem kanalerne og tillade mere lys at bevæge sig ind i kanal 2. Trykket forårsager også en ændring i brydningsindekset for PDMS, ændre lyset.

Lys kommer ind i enheden gennem en optisk fiber i den ene ende og opsamles af en fotodiode i den anden. Når trykket stiger, mere lys vinder op i kanal 2 og mindre i kanal 1. Måling af lysstyrken af ​​lyset, der kommer ud af den fjerne ende af hver kanal, fortæller forskerne, hvor meget tryk der blev påført.

Selvom der er udviklet andre optiske tryksensorer, dette er den første, der indlejrer sansestrukturen i PDMS. At være indlejret beskytter det mod forurenende stoffer.

Sætter det på prøve

For at teste enheden placerede forskerne en "pressende stub" oven på sensoren og øgede gradvist trykket. I en sensor, der var 5 mm lang indlejret i et 50 µm tykt ark PDMS, forskerne målte en ændring i optisk effekt på 140 % ved et tryk på ca. 40 kilopascal (kPa). Denne proof-of-concept demonstration antyder, at enheden er i stand til at føle tryk så lavt som 1 kPa, nogenlunde samme følsomhedsniveau som en menneskelig finger. Ændringen i blodtryk mellem hjerteslag er omkring 5 kPa.

Park siger, at flere trin er nødvendige for at flytte sensoren fra en laboratoriedemonstration til en praktisk enhed. Den ene er at udvikle en enklere måde at fastgøre de optiske fibre, der flytter lys ind og ud af sensoren. Ved at udvikle deres prototype, forskerholdet brugte præcisionsjusteringsværktøjer, hvilket ville være for dyrt og tidskrævende at bruge i de fleste kommercielle applikationer. En alternativ tilgang, kendt som pigtailfibre, som teleselskaber bruger til at koble fibre i deres systemer, skal gøre processen lettere.

Ud over, holdet testede deres tilgang med en 1-dimensionel sensor, hvorimod de fleste applikationer ville kræve et 2-dimensionelt array af sensorer. Det kan sandsynligvis opnås ved at rotere et endimensionelt ark 90 grader og placere det oven på et andet, skabe et skraveret array. Størrelsen af ​​sensorerne og afstanden mellem dem vil sandsynligvis også skulle optimeres til forskellige applikationer.