Співприкасні оптичні волокна перетворили на простий датчик деформації

Американські та італійські інженери запропонували простий метод створення датчиків деформації, що дозволяють вимірювати її з точністю менше одного ньютону і локалізувати з точністю менше міліметра. Датчики складаються з полімерної сітки і оптичних волокон, підключених до джерела світла і фотодіодів. При стисненні сітки частина волокон стикаються між собою і на фотодіоди потрапляє світло, вимірявши яке, можна розрахувати силу і місце її додатку, повідомляють автори статті в.

У робототехніці існує велика область, присвячена створенню м'яких роботів. Проблема цього напрямку полягає в тому, що створено вже досить багато відповідних матеріалів для м'якого і стійкого до деформацій корпусу, але практично немає аналогів для більш складних компонентів, таких як логічні схеми, акумулятори і датчики. В області м'яких датчиків деформації вже є деякі примітні розробки, наприклад, еластична «шкіра» для роботів з каналами, заповненими рідким сплавом.

Крім того, минулого року американські інженери під керівництвом Роберта Шепарда (Robert Shepherd) з Корнеллського університету створили еластомірний датчик з безліччю оптичних волокон, здатний вимірювати власну деформацію. У новій роботі інша група інженерів під керівництвом Шепарда розробила схожий за принципом роботи, але суттєво простіший за конструкцією м'який датчик деформації.

Конструкція складається з декількох оптичних волокон. Одне з них - основне і підключене до джерела світла, а решта, додаткові, розташовані так, щоб у стані спокою не стикатися з основним. Для цього інженери запропонували друкувати на 3D-принтері або виготовляти іншим зручним методом полімерні об'ємні решітки з порожнім простором, через який можна продіти оптоволокно.

Принцип роботи датчика заснований на тому, що при деформації вище порогової центральне оптоволокно починає стикатися з одним або кількома іншими, розташованими недалеко від точки програми сили. Через контакт частина світу з центрального оптоволокна потрапляє в бічні. Якщо на кінцях бічних оптичних волокон встановити фотодіоди, камери або інші вимірювальні пристрої, то, знаючи параметри конструкції, за інтенсивністю світла можна розрахувати її деформацію. По тому, на якому фотодіоді реєструється сигнал, в свою чергу, можна дізнатися центр деформації.

Автори створили кілька пристроїв-прототипів, в яких використовується один випромінювальний світлодіод і кілька вимірювальних фотодіодів. Найбільш примітний з них - музичний інструмент з 14 «клавішами», в ролі яких виступають області з оптоволокнами. Після натискання на одну або навіть відразу кілька «клавіш» система реєструє натискання і видає відповідний звук. Експерименти на одному з прототипів показали, що точність вимірювання сили становить 0,3 ньютона, а точність її локалізації знаходиться на рівні 0,7 міліметра.

Оптичне волокно використовують не тільки для визначення локальної деформації, а й для реєстрації сейсмічних хвиль. У 2017 році інженери зі Стенфордського університету побудували в кампусі свого університету оптоволоконний сейсмограф сумарною довжиною 4,8 кілометра. Експерименти показали, що детектор здатний виявляти і розділяти P- і S-хвилі, незважаючи на те, що оптоволокно не було жорстко закріплено.