En ny typ av trycksensor baserad på ljus kan tillåta skapandet av känsliga konstgjorda skinn för att ge robotar en bättre känsla, bärbara blodtrycksmätare för människor och optiskt transparenta pekskärmar och enheter.

I tidskriften Optical Society (OSA) Optikbokstäver , forskare rapporterar om en sensor som detekterar tryck genom att analysera förändringar i mängden ljus som färdas genom små tunnlar inbäddade i polydimetylsiloxan (PDMS), en vanlig typ av silikon. Den flexibla, transparent enhet är känslig för jämnt tryck och är mindre benägen att misslyckas jämfört med tidigare typer av trycksensorer. Det bör också vara möjligt att införliva de inbyggda optiska sensorerna över en stor yta, säger forskare.

"Silikonarket kan placeras på displaypaneler för att möjliggöra pekskärmar, eller kan lindas på robotytor som ett konstgjort hudlager för taktila interaktioner, "säger Suntak Park, Elektroniskt och telekommunikationsforskningsinstitut, Daejeon, Sydkorea. "Med tanke på att PDMS är en mycket välkänd biokompatibel, giftfritt material, sensorarket kan till och med appliceras på eller inuti människokroppen, till exempel, för att övervaka blodtrycket. "

Att mäta tryckfördelning över en krökt yta kan vara viktigt inom forskningsområden som aerodynamik och vätskedynamik. Park säger att sensorerna kan vara användbara för att studera tryckrelaterade effekter på flygplanets ytor, bilar och fartyg.

Undvik störningar

De flesta befintliga trycksensorer är baserade på elektronik. Piezoresistiva sensorer, till exempel, som ofta används som accelerometrar, flödesmätare och lufttryckssensorer, ändra sitt elektriska motstånd när de utsätts för mekanisk belastning. Problemet med elektroniska system är att de kan utsättas för elektromagnetisk störning från strömkällor, närliggande instrument och laddade föremål. De innehåller också metallkomponenter, som kan blockera ljus och utsättas för korrosion.

"Vår metod är nästan fri från sådana problem eftersom avkänningsanordningen är inbäddad i mitten av ett ark av silikongummi, "säger Park." Jämfört med elektriska metoder, vårt optiska tillvägagångssätt är särskilt lämpligt för applikationer som drar nytta av genomförbarhet i stort område, motstånd mot elektromagnetisk störning, och hög visuell transparens. "

Avkänningstryck med ljus

Enheten fungerar genom att mäta ljusflödet genom ett exakt arrangerat par med små rör som kallas en fotonisk tunnel-övergångsgrupp. "Den tryckkänsliga fotoniska tunnelkorsningsarrayen består av ljusstyrande kanaler där yttre tryck förändrar ljusstyrkan hos det ljus som överförs genom dem, "Park säger." Detta liknar hur en ventil eller kran fungerar vid en flödesdelande nod. "

Rören, eller vågledare, löper parallellt med varandra och är inbäddade i PDMS. För en del av deras längd är de tillräckligt nära för att ljuset ska passera genom det första röret, kanal 1, kan passera in i den andra, kanal 2. När tryck appliceras, PDMS är komprimerad, ändra avståndet mellan kanalerna och låta mer ljus flytta in i kanal 2. Trycket orsakar också en förändring av brytningsindexet för PDMS, ändra ljuset.

Ljus kommer in i enheten genom en optisk fiber i ena änden och samlas upp av en fotodiod i den andra. När trycket ökar, mer ljus vindar upp i kanal 2 och mindre i kanal 1. Mätning av ljusstyrkan i ljuset som kommer ut från den bortre änden av varje kanal berättar för forskarna hur mycket tryck som applicerades.

Även om andra optiska trycksensorer har utvecklats, detta är den första att bädda in avkänningsstrukturen i PDMS. Att vara inbäddad skyddar den från föroreningar.

Att testa det

För att testa enheten placerade forskarna en "pressstubbe" ovanpå sensorn och stegvis ökade trycket. I en sensor som var 5 mm lång inbäddad i ett 50 µm tjockt ark PDMS, forskarna mätte en förändring i optisk effekt på 140% vid ett tryck på cirka 40 kilopascal (kPa). Denna proof-of-concept-demonstration föreslår att enheten kan känna trycket så lågt som 1 kPa, ungefär samma känslighetsnivå som ett mänskligt finger. Förändringen i blodtryck mellan hjärtslag är cirka 5 kPa.

Park säger att flera steg behövs för att flytta sensorn från en laboratoriedemonstration till en praktisk enhet. Det ena är att utveckla ett enklare sätt att fästa de optiska fibrerna som flyttar ljus in i och ut ur sensorn. Vid utvecklingen av deras prototyp, forskargruppen använde precisionsjusteringsverktyg, vilket skulle vara för dyrt och tidskrävande att använda i de flesta kommersiella applikationer. Ett alternativt tillvägagångssätt, känd som grisstjärtfibrer, som telekommunikationsföretag använder för att koppla ihop fibrer i sina system, ska göra processen enklare.

Dessutom, laget testade sitt tillvägagångssätt med en 1-dimensionell sensor, medan de flesta applikationer kräver en tvådimensionell uppsättning sensorer. Det kan förmodligen uppnås genom att rotera ett endimensionellt ark 90 grader och placera det ovanpå ett annat, skapa en tvärkläckt matris. Storleken på sensorerna och avståndet mellan dem skulle också troligen behöva optimeras för olika applikationer.