Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) создали гибкий носимый лист для отслеживания формы с самодиагностикой движения, который может быть полезен для управления играми, виртуальной реальностью и в приложениях для физиотерапии, сообщает MIT News. Технология, использующая оптические волокна для отслеживания собственной 3D-формы листа, в лабораторных испытаниях сохраняет погрешность менее полусантиметра. Кифань Юй, аспирант кафедры машиностроения MIT, входящий в команду, оценил конструкции с жесткими датчиками примерно в 1–2 см и назвал полученный результат «как минимум на уровне существующих технологий». Лист также продолжает работать даже при повреждении, но волокна остаются толще, чем хотелось бы для одежды.
Эта новость следует за публикацией статьи «К полностью мягкому и многофункциональному датчику формы с помощью массивов оптических волноводов» в журнале Advanced Intelligent Systems. В ней подробно описывается, что волноводы реагируют на изгиб в обоих направлениях («двунаправленно»), а массив расположен таким образом, чтобы различать формы. Комбинированные отклики волокон означают, что требуется меньше чувствительных элементов, и это также может повысить устойчивость к повреждениям. Волокна реагируют на давление, поэтому они могут ощущать внешнюю силу, например, нажатие на предплечье в демонстрации физиотерапии.
Обычно обычное волокно, прозрачный сердечник внутри светопоглощающей оболочки, теряет меньше света на дальнем конце при изгибе; измерение выходного света помогает измерить изгиб. Изменения, внесенные MIT, включают использование гибкого резинового сердечника вместо стекла с черной оболочкой. Одна сторона намеренно сделана шероховатой, так что изгиб волокна в эту сторону или в противоположную сторону вызывает разную потерю света. Это обеспечивает направностное зондирование.
Многие такие волокна встроены в силиконовый лист, причем на одном конце каждого волокна находится светодиод, а на другом — датчик света. Сенсорная поверхность полностью мягкая, но лист в целом не растягивается. Внешняя печатная плата обрабатывает сбор данных с помощью алгоритма, который преобразует их в полную форму листа и 3D-форму. 14 волноводов длиной 160 мм каждый расположены в два слоя по семь штук, зигзагообразно в силиконовом листе размером 16 x 16 x 0,5 см. Электроника остается по краям, включая аналого-цифровые преобразователи, которые подают данные на микроконтроллеры через I2C. Реконструкция выполняется в MATLAB примерно три раза в секунду — скорость, которая включает выборку данных с датчиков, их регистрацию и построение графиков.
Для выбора компоновки команда сначала смоделировала листы с различными расположениями волноводов: сгенерировала выход света, который каждое волокно давало бы для известной формы, пропустила эти показания через алгоритм реконструкции для оценки 3D-формы и сравнила оценку с известной. Одна схема зигзагообразного расположения показала наилучшее соответствие. В симуляциях использовалось от 3 до 20 волноводов на слой под углами от 0 до 35 градусов для шести целевых форм с добавлением 10% шума, в 30 испытаниях каждое. Исследователи обнаружили, что наклон волноводов улучшает точность больше, чем добавление дополнительных.
Устойчивость проверялась путем разрезания или отключения нескольких волокон, при этом остальные все еще могли реконструировать общую форму. В симуляции погрешность оставалась ниже 0,3 см при отключении до трех из 14 волноводов и возрастала примерно до 1 см или более при отключении пяти.
Затем был создан реальный лист по найденным схемам и испытан с диагональным складыванием. Для оценки точности лист накладывался на три 3D-печатные формы известных размеров, при этом метрикой служило среднеквадратичное отклонение между реальной и реконструированной поверхностями: 0,37, 0,28 и 0,45 см. Сенсор силы не имеет калиброванного показания силы, чтобы определить, насколько сильно, и это обнаружение работает отдельно от режима формы. Каждая носимая демонстрация проводилась одним из авторов на собственном теле с использованием более простого метода масштабирования для углов запястья и локтя, поскольку растяжение в этих суставах нарушает алгоритм формы, без комментариев по поводу комфорта.
Юй сказал, что установка нацелена на полностью мягкие сенсорные поверхности, поэтому она потенциально безопаснее для людей. Кейтлин Беккер, доцент кафедры машиностроения MIT и соавтор, заявила, что команда надеется создать инструменты, которые помогут физиотерапевтам отслеживать и количественно оценивать прогресс пациента с течением времени, более точно сравнивая сеансы. Помимо этого, технология может быть использована в виртуальной реальности для имитации движений, для телеуправления роботами или даже просто для мягких роботов.
Поскольку более тонкие волокна будут иметь более широкую применимость, исследователи планируют в первую очередь сосредоточиться на более тонком листе. Волокна толщиной 1 мм сегодня могут стать тонкими до десятков микрометров, тоньше человеческого волоса. Большее количество волокон тогда сможет сделать умную одежду. Они также предложили будущие исследования, которые могли бы сосредоточиться на более быстром решателе вместо универсального в MATLAB, большем количестве слоев волноводов и более узких волноводах для лучшей детализации с более тонкими листами, отдельном листе для одновременного измерения силы и формы, а также на растяжимой электронике.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Shane Downing
