Манипулятор-вьюнок с оптоволокном измерил свою деформацию и размер предметов

Американские инженеры создали мягкий актуатор, способный изгибаться и захватывать предметы. Внутри него расположено оптоволокно, выступающее в качестве основы интерферометра, что позволяет измерять угол закручивания актуатора и размеры захватываемых объектов. Статья опубликована в Optics Express.

Мягкие роботы представляют собой более безопасную альтернативу классическим роботам в некоторых областях, например, в медицине. В них часто применяют корпус и детали из эластомера, а также пневматический принцип движения с внешним насосом (хотя есть и полностью автономные прототипы с собственной выработкой газа). Но обычно пневматические актуаторы выполняют лишь свою основную задачу, а за контроль их движения отвечает отдельный блок с камерой и компьютером.

Инженеры из Университета Джорджии под руководством Мэйбл Хо (Mable Fok) создали актуатор для хватания предметов, отслеживающий свою деформацию. Он состоит из нескольких частей. Внутри расположен мягкий стержень диаметром в три миллиметра, а внутри стержня расположено тонкое оптоволокно с высоким уровнем двойного лучепреломления — расщеплением входящего луча на два с разным направлением. После создания стержня со встроенным оптоволокном оно помещается в цилиндрическую форму, в которую заливают другой эластомер — материал корпуса актуатора. Перед этим внутрь вокруг стержня ставится форма, закрученная по спирали вокруг него. После затвердевания эластомера она извлекается и на ее месте образуется полый канал.

Этот канал подключается к насосу, который может накачивать в него воздух и расширять его. Поскольку канал имеет спиральное строение, при расширении он заставляет актуатор тоже сворачиваться в спираль, что можно использовать для обхватывания предметов. Угол закручивания зависит от давления: максимальное значения угол составляет 540 градусов и достигается при давлении 0,67 мегапаскаля.

Главная особенность актуатора заключается в том, что он может отслеживать угол закручивания и определять диаметр захватываемых объектов. Инженерам удалось достичь этого благодаря тому, что они использовали оптоволокно внутри актуатора в качестве основного элемента интерферометра Саньяка. В нем два конца оптического пути подсоединены через полупрозрачную призму к лазерному излучателю и детектору, и благодаря призме лучи двигаются в противоположных направлениях. Особенность интерферометра заключается в том, что при вращении между противонаправленными лучами возникает сдвиг фаз, пропорциональный скорости вращения и площади кольца интерферометра.

Интерферометр, собранный авторами статьи, позволил отслеживать угол закручивания актуатора благодаря изменению детектируемой длины волны и затуханию сигнала. При закручивании с 0 до 540 градусов сдвиг длины волны по сравнению с исходным изучением составляет 16,66 нанометров. Помимо угла закручивания актуатор может измерять и размер захватываемого предмета благодаря тому, что уровень затухания сигнала на выходе из интерферометра зависит от диаметра предмета. При обхватывании предметов диаметром в 1, 4 и 8 миллиметров изменение мощности сигнала составило −14,59, −18,43 и −23,21 децибел соответственно.

В 2018 году мы рассказывали о другой разработке из этой области. Тогда американские инженеры создали брусок эластомера с множеством оптических волокон внутри и научили его отслеживать величину и тип деформации благодаря затуханию сигнала и алгоритму машинного обучения.

Григорий Копиев