Окрашенное оптоволокно превратили в точный датчик деформации

Американские инженеры создали чувствительный к разным деформациям датчик, сделанный из оптоволокна. Он состоит из двух волноводов: в одном из них на поверхность нанесены разные цвета, а другое оставлено неокрашенным. Благодаря этому по изменению цвета и интенсивности на торце волокна можно определять тип деформации, ее место и интенсивность. Статья опубликована в журнале Science.

Основные свойства света — интенсивность, длина волны и направление — зависят от среды, через которую он проходит. Эту особенность нередко используют для обнаружения деформаций как на больших масштабах, к примеру, для регистрации сейсмических событий, так и на малых, например, для обнаружения контакта и его локализации. Как правило, в таких системах используется либо простое измерение интенсивности света с одного волокна, что не позволяет измерять сразу несколько параметров с высокой точностью, либо массив из множества волокон, что делает производство и измерение сложным.

Инженеры из Корнеллского университета под руководством Роберта Шеперда (Robert Shepherd) создали датчик, состоящий из двух волокон и способный измерять несколько параметров деформации. Оба волновода выполнены из прозрачного полимера и располагаются в непрозрачном полимере-матрице. У волокон прямоугольное сечение, но они различаются по размеру: волокно с цветными метками толще.

Цветные метки в большом волноводе выполнены в виде чередующихся прямоугольников разных цветов на одной из его сторон. В основном авторы сосредоточились на дискретных прямоугольниках определенных цветов, но также предложили и другие варианты: сплошной градиентый блок из двух треугольников разных цветов или такие же треугольники, но вписанные в отдельные прямоугольники. Второй вариант привлекателен тем, что потенциально он может позволить точно измерять изгибы или нажатия сразу в нескольких местах.

Цветные метки в волокне позволяют рассчитывать тип и величину деформации. На дальнем конце окрашенного волновода установлен белый светодиод, а на ближнем торце у обоих волноводов закреплено по одному цветному датчику света. При растяжении всего волокна или отдельного участка длина проходимого лучами пространства увеличивается. Из-за этого свет чаще попадает на окрашенные области, где в основном отражается, но частично поглощается, причем не равномерно по всему диапазону длин волн (или цветов), а в соответствии с цветом красителя. В результате на выходах из обоих волноводов падает интенсивность излучения, а на выходе из окрашенного также изменяется цвет. Благодаря этому можно определить как величину растяжения (с точностью 0,1 миллиметра), так и его местоположение, если деформации подвергся отдельный участок.

Похожим образом датчик работает при сгибании. Это тоже приводит к большему поглощению определенных цветов в области деформации или выходу части лучей из волокна, что можно заметить по изменению цвета на выходе. Отличить сгибание от растяжения можно по интенсивности излучения на выходе из неокрашенного волновода: при сгибании ее снижение выражено намного меньше, чем при растяжении. Точность измерения изгиба в созданном авторами прототипе составляет 0,5 градуса.

Обнаружение сдавливания волокна работает немного иначе. Оптическое волокно способно распространять свет на большую длину благодаря полному внутреннему отражению лучей, благодаря которому они не выходят наружу через боковые части. При нажатии на волокно-датчик происходит нарушенное полное внутреннее отражение, часть света проходит через краситель из окрашенного волновода в неокрашенный и снова распространяется в режиме полного внутреннего отражения, но уже в другом волокне. Благодаря этому при нажатии на выходе из неокрашенного волокна цвет меняется с белого на другой (зависит от того, через какой краситель лучи перешли из одного волокна в другой). Точность измерения нажатия на волокно составляет 0,14 ньютона.

Инженеры продемонстрировали потенциальное применение разработки, собрав перчатку с пятью волокнами, которая позволяет воссоздавать осязание. Она может отслеживать сгибы пальцев и прикосновения к перчатке. Авторы отмечают, что потенциально датчики с такой конструкцией можно использовать в мягких роботах, чтобы избавиться от жестких компонентов.

В прошлом году смежная группа инженеров под руководством Шеперда создала другой датчик для регистрации нажатий на основе нарушения внутреннего полного отражения. Он состоит из центрального волновода, по которому распространяется свет, и боковых, которые начинают распространять его только при контакте с основным, который в свою очередь возникает при нажатии на датчик.

Григорий Копиев