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
Роль магнитного поля сыграло туннелирование в оптической решетке
Физики впервые экспериментально сгенерировали дробные квантовые состояния Холла в двумерной системе ультрахолодных атомов. Как сообщается в Nature, в созданных состояниях удалось пронаблюдать основные свойства дробных холловских: подавление двухчастичного взаимодействия, сильные (анти)корреляции плотности и дробную величину аналога холловской проводимости. Дробный квантовый эффект Холла возникает в двумерном электронном газе в сильных магнитных полях. Одноименно заряженные электроны отталкиваются друг от друга, однако не могут разлетаться прямолинейно из-за сильного магнитного поля, которое резко закручивает импульс частиц и порождает сложное коллективное движение в системе: поведение отдельных частиц не независимо, а наоборот сильно скоррелировано. В таких ситуациях вместо рассмотрения каждого электрона в отдельности изучают коллективную волновую функцию системы, выделяя основное состояние системы (низшее по энергии) и возбужденные состояния (с энергией выше основного) — квазичастицы. При этом эффективная масса или заряд последних не обязаны совпадать с характеристиками исходных частиц. Так, еще в восьмидесятых годах прошлого века было установлено, что в дробном квантовом эффекте Холла заряд собравшихся из коллективных электронных возбуждений квазичастиц оказывается дробным по отношению к заряду самих электронов. Этим можно объяснить наблюдаемую дробную холловскую проводимость: в обычной ситуации эта величина в единицах отношения квадрата заряда электрона к постоянной планка (обратный квант электрического сопротивления) равна целому числу, а в дробном эффекте Холла принимает нецелые значения. Более того, даже статистика таких квазичастиц может быть промежуточной по отношению к стандартной классификации элементарных частиц на бозоны и фермионы: состояния не обязаны быть строго симметричными или антисимметричными по отношению к перестановкам. Такие экзотические свойства делают дробные холловские состояния перспективным инструментом для квантовых вычислений. При этом вместо того чтобы создавать и контролировать сильные магнитные поля во многоэлектронных системах, физики стремятся создать аналогичные по свойствам, но легко контролируемые квантовые системы — например, из ультрахолодных атомов в оптической решетке. Тем не менее, до недавнего времени об экспериментальной реализации дробных холловских состояний в системах ультрахолодных атомов не сообщалось. Теперь физики из Австрии, Бельгии, Германии, США и Франции под руководством Маркуса Грейнера (Markus Greiner) из Гарвардского университета смогли создать дробные холловские состояния в системе двух ультрахолодных атомов рубидия-87. Для этого исследователи размещали атомы в квадратной оптической решетке (на пересечении двух лазерных лучей) размером в четыре ячейки с каждой стороны, и на протяжении эксперимента контролировали их положение (с разрешением в одну ячейку) с помощью флуоресцентных изображений. Первоначально атомы находились соседних краевых ячейках решетки. Затем авторы, контролируя параметры ячейки, по очереди адиабатически медленно создавали туннелирование по каждой из осей решетки, симулируя тем самым поведение заряженных частиц в сильном магнитном поле. В результате пара атомов рубидия переходила в коллективное состояние, которое физики фиксировали и после анализировали сходство с состояниями дробного холловского типа по свойствам получившегося пространственного распределения плотности и зависимости этих свойств от величины эффективного магнитного поля. В результате авторы обнаружили в итоговых состояниях все ключевые характеристики дробных холловских состояний. Во-первых, удалось зарегистрировать подавление двухчастичного взаимодействия: начиная с критических значений магнитного потока (при переходе к коллективному состоянию) в несколько раз (по сравнению с обычным состоянием) снижалась вероятность наблюдать оба атома в одной и той же ячейке решетки. Во-вторых, эффективная холловская проводимость приняла дробное значение — этот параметр исследователи оценивали через производную средней плотности атомов в центральных четырех ячейках по величине эффективного магнитного потока. Наконец, в-третьих, при надкритической величине эффективного поля кратно возрастали значения (анти)корреляции плотности по всей оптической решетке, что свидетельствует о переходе к зависимому, коллективному поведению системы. При этом сходство оказалось не только качественным, но и количественным: измеренные величины совпали с теоретическим прогнозом для дробного холловского состояния в пределах погрешности, что позволяет заявить о надежной регистрации этого состояния в системе ультрахолодных атомов. Кроме того, чтобы оценить качество адиабатической подготовки коллективного состояния из исходного, в части опытов физики вместо фиксации результата проделывали подготовку в обратной последовательности, от конечного состояния к начальному. Вероятность обнаружить в этом «новым начальном» состоянии исходное начальное исследователи использовали как количественную оценку адиабатичности своих манипуляций: эта величина составила около 43 процентов. По словам авторов, экспериментальный результат является первым шагом в освоении контролируемых манипуляций с сильно скоррелированными состояниями ультрахолодных атомов и в будущем может оказаться практически полезным для квантовых технологий. Ранее мы рассказывали о том, как орбитальное движение атомов повлияло на формирование ультрахолодных димеров в оптических решетках и о том, как свет помог собрать ультрахолодную молекулу из двух атомов.