Оптические волокна могут заменить электронные датчики движения

В статье, опубликованной в журнале Optica, команда под руководством Чанси Янга из Университета Цинхуа в Пекине рассказала о разработке прочных оптических волокон, способных воспринимать широкий спектр человеческих движений. Новое волокно чувствительно и достаточно гибко, чтобы обнаруживать движения суставов, в отличие от используемых в настоящее время датчиков. Этот метод обладает такими преимуществами оптических волокон, как электрическая безопасность и защита от электромагнитных помех.

Оптические волокна долгое время использовались для измерения напряжений на мостах и ​​в зданиях: при небольшом растягивании или сгибании свет, проходящий через волокно, искажается, так что это можно зафиксировать. Однако для снятия данных о теле человека оптические волокна не подходят: изготовленные из пластика или стекла, они слишком жестки и плохо сгибаются. Таким образом, большинство носимой электроники сегодня основано на электронных датчиках, которые обнаруживают движение, измеряя изменения сопротивления или степень деформации. Однако эти системы трудно уменьшать в размерах, они могут терять электрический заряд и чувствительны к электромагнитным помехам. Сгибаемое оптическое волокно могло бы стать основой износоустойчивой носимой электроники, лишенной этих недостатков.

В поисках прочной основы для оптических волокон ученые создали мягкий полимер, названный полидиметилсилоксаном (PDMS). Волокно получали, поместив жидкий силикон в основу в форме трубки и нагревая до 80° C в течение 40 минут, а затем выталкивая с одного конца формы. Полученные волокна прошли тщательно продуманную серию тестов, например, многократное растягивание. Даже после 500 растяжек волокно возвращалось к первоначальной длине. При уменьшении диаметра волокон их механическая прочность увеличивалась.

Для улучшения восприятия в материал подмешивали флуоресцентный краситель родамин B. При прохождении света через волокно часть его поглощает краситель, и чем сильнее растяжение, тем больше света поглощается. Таким образом, простое измерение проходящего света с помощью спектроскопа обеспечивает измерение степени деформации волокна и, соответственно, изгиб части тела, к которой оно прикреплено. В ходе теста волокно прикрепили к перчатке, носитель которой сгибал руку. Результаты исследования совпали с данными, полученными с помощью электронного датчика. Волоконный датчик хорошо работал и в ситуациях, связанных с более тонкими движениями, например, сокращениями мышц шеи при дыхании и речи.

Команда также проверила, насколько хорошо разработанное волокно функционирует в различных средах. Тесты показали, что датчики хорошо справляются с задачей, но различия в точности результатов требуют калибровки. Также в будущем необходимо создать компактный источник света и спектрометр, пригодные для ношения на теле.

Разработки в области носимых технологий очень актуальны, ведь, по мнению исследователей, этот рынок в 2017 году вырастет на 17%. Основная масса носимой электроники придется на умные часы.