De spännande tillämpningarna av bärbara sensorer har utlöst en enorm mängd forskning och affärsinvesteringar under de senaste åren. Sensorer kopplade till kroppen eller integrerade i kläder kan låta idrottare och sjukgymnaster övervaka deras framsteg, ge en mer detaljerad nivå för rörelseinspelning för datorspel eller animationer, hjälpa ingenjörer att bygga robotar med en lättare touch eller ligga till grund för nya typer av realtidshälsomonitorer.

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, ett team som leds av Changxi Yang från State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments vid Tsinghua University i Peking erbjuder den första demonstrationen av optiska fibrer som är tillräckligt starka för att känna av ett brett spektrum av mänskliga rörelser.

Den nya fibern är så känslig och flexibel att den kan upptäcka ledrörelser, till skillnad från nu använda fibersensorer. "Denna nya teknik ger ett fiberoptiskt tillvägagångssätt för att mäta extremt stora deformationer, " sa Yang. "Den är bärbar, monterbar och har även inneboende fördelar med optiska fibrer såsom inneboende elektrisk säkerhet och immunitet mot elektromagnetiska störningar."

Problem med stretching

Optiska fibrer har använts för påkänning av broar och byggnader i flera år; sträcka eller böja fibern lite och ljus som går igenom den skiftas på ett sätt som enkelt kan plockas upp av en bildskärm. Traditionellt har optiska fibrer inte varit det bästa valet för påkänning av människokroppen eftersom de vanligtvis är gjorda av plast eller glas, som är styva och inte böjer bra. En kiseldioxidglasfiber, till exempel, kan hantera en maximal belastning på mindre än 1 procent, medan en böjande fingerled skulle belasta den med mer än 30 procent.

Denna barriär har inneburit att de flesta bärbara sensorutvecklingar hittills har baserats på elektroniska sensorer. Dessa sensorer detekterar rörelse genom att mäta förändringar i elektriska egenskaper som motstånd när sensorn böjer sig. Dock, dessa system är svåra att förminska, kan tappa sin elektriska laddning och är känsliga för elektromagnetiska störningar från enheter som bilar och mobiltelefoner. En böjbar optisk fiber kan undvika dessa problem och potentiellt skapa bärbara enheter som är mer stabila och hållbara än de som är baserade på elektronik.

Enkel silikon

När forskarna började leta efter en fiber som kunde stå emot mängden böjning och sträckning involverad i mänskliga rörelser, de försökte först fibrer gjorda av hydrogel, en mjuk, geléliknande substans som kan hålla stammar på upp till 700 procent. Men hydrogel består mestadels av vatten, och fungerade därför endast i våta miljöer. När den utsätts för luft, fibrerna torkade snabbt ut och krympte.

I ett andra försök, Yang och hans elever, Jingjing Guo och Mengxuan Niu, utvecklat en fiber tillverkad av silikon - specifikt en mjuk polymer som kallas polydimetylsiloxan (PDMS). De skapade fibern genom att lägga den flytande silikonen i en rörformad form och värma den till 80°C (176°F) i 40 minuter för att få den att tjockna, använde sedan vattentryck för att trycka ut en tunn fiber ur ena änden av formen. De lägger de resulterande fibrerna genom en genomarbetad serie tester, som att upprepade gånger sträcka ut dem för att fördubbla längden. Även efter 500 sträckor, en fiber återvände fortfarande till sin ursprungliga längd.

"De tillverkade PDMS -fibrerna uppvisade utmärkt mekanisk flexibilitet, och kunde lätt knytas och vridas, "sa Yang. Vad mer, när teamet minskade diametern på fibrerna de producerade, från 2 millimeter till 0,5 millimeter, fibrernas mekaniska hållfasthet ökade faktiskt.

För att hjälpa till att känna av, forskarna blandade ett fluorescerande färgämne som kallas Rhodamine B i silikonet. När ljuset lyser genom fibern, en del av ljuset absorberas av färgämnet - ju mer fibern sträcker sig, ju mer ljus absorberar färgen. Så enkelt att mäta det överförda ljuset med ett spektroskop ger en mätning av hur mycket fibern sträcks eller böjs, som berättar för en observatör om rörelsen för vilken kroppsdel ​​som helst som den är fäst vid.

Handsketestet

Forskarna testade den idén genom att limma sin fiber på en gummihandske med epoxi, och sedan övervaka det när en bärare böjde och sträckte ut sina fingrar. Under den rörelsen, de mätte en stam i fibern på 36 procent, i linje med vad andra hade mätt med hjälp av elektroniska sensorer.

"Den anmärkningsvärda flexibiliteten och töjbarheten hos PDMS -fibern gör den särskilt attraktiv för avkänning av stora stammar, sa Yang, och tillägger att detta är första gången forskare har använt en optisk sensor för att fånga mänsklig rörelse.

Sensorn fungerade också bra i situationer med mer subtila påfrestningar, såsom de små rörelserna i nackmusklerna när en person andas eller talar. "Alla resultat visar att den optiska töjningssensorn kan användas för övervakning av olika mänskliga rörelser och kan ge en ny metod för utforskning av gränssnitt mellan människa och maskin, "sa Yang.

Teamet testade hur bra deras fibrer kände påfrestningar under längre perioder och i olika miljöer, som i vatten, glycerol och luft. De fick veta att fibrerna höll bra, även om avkänningsnoggrannheten ändrades i olika miljöer, föreslår att enheter som använder de optiska fiberbaserade sensorerna skulle behöva kalibreras för den specifika miljö de skulle användas i.

Teamet belyste fibern genom att fästa den på en halogenlampa, och mätte ljuset som passerade genom det med en spektrometer. För att anpassa tekniken för att skapa en bärbar enhet, Yang sa att det borde vara möjligt att utveckla en kompakt ljuskälla och spektrometer som lätt kan bäras på kroppen.