Соприкасающиеся оптические волокна превратили в простой датчик деформации

Американские и итальянские инженеры предложили простой метод создания датчиков деформации, позволяющих измерять ее с точностью менее одного ньютона и локализовать с точностью менее миллиметра. Датчики состоят из полимерной сетки и оптических волокон, подключенных к источнику света и фотодиодам. При сжатии сетки часть волокон соприкасаются между собой и на фотодиоды попадает свет, измерив который, можно рассчитать силу и место ее приложения, сообщают авторы статьи в Science Robotics.

В робототехнике существует большая область, посвященная созданию мягких роботов. Проблема этого направления заключается в том, что создано уже достаточно много подходящих материалов для мягкого и устойчивого к деформациям корпуса, но практически нет аналогов для более сложных компонентов, таких как логические схемы, аккумуляторы и датчики. В области мягких датчиков деформации уже есть некоторые примечательные разработки, например, эластичная «кожа» для роботов с каналами, заполненными жидким сплавом.

Кроме того, в прошлом году американские инженеры под руководством Роберта Шепарда (Robert Shepherd) из Корнеллского университета создали эластомерный датчик с множеством оптических волокон, способный измерять собственную деформацию. В новой работе другая группа инженеров под руководством Шепарда разработала похожий по принципу работы, но существенно более простой по конструкции мягкий датчик деформации.

Конструкция состоит из нескольких оптических волокон. Одно из них — основное и подключено к источнику света, а остальные, дополнительные, расположены так, чтобы в состоянии покоя не соприкасаться с основным. Для этого инженеры предложили печатать на 3D-принтере или изготавливать другим удобным методом полимерные объемные решетки с пустым пространством, через которое можно продеть оптоволокно.

Принцип работы датчика основан на том, что при деформации выше пороговой центральное оптоволокно начинает соприкасаться с одним или несколькими другими, расположенными недалеко от точки приложения силы. Из-за контакта часть света с центрального оптоволокна попадает в боковые. Если на концах боковых оптических волокон установить фотодиоды, камеры или другие измерительные устройства, то, зная параметры конструкции, по интенсивности света можно рассчитать ее деформацию. По тому, на каком фотодиоде регистрируется сигнал, в свою очередь, можно узнать центр деформации.

Авторы создали несколько устройств-прототипов, в которых используется один излучающий светодиод и несколько измеряющих фотодиодов. Самый примечательный из них — музыкальный инструмент с 14 «клавишами», в роли которых выступают области с оптоволокнами. После нажатия на одну или даже сразу несколько «клавиш» система регистрирует нажатие и издает соответствующий звук. Эксперименты на одном из прототипов показали, что точность измерения силы составляет 0,3 ньютона, а точность ее локализации находится на уровне 0,7 миллиметра.

Оптическое волокно используют не только для определения локальной деформации, но и для регистрации сейсмических волн. В 2017 году инженеры из Стэнфордского университета построили в кампусе своего университета оптоволоконный сейсмограф суммарной длиной 4,8 километра. Эксперименты показали, что детектор способен обнаруживать и разделять P- и S-волны, несмотря на то, что оптоволокно не было жестко закреплено.

Григорий Копиев