Forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) har utviklet en myk sensor som kan gjenskape sin egen tredimensjonale form når den deformeres. Systemet analyserer hvordan lys endrer seg på vei gjennom elastiske optiske fibre, og gjør målingene om til en digital rekonstruksjon av materialets bevegelser nesten i sanntid.

I motsetning til bevegelsessystemer der stive sensorer festes på klær eller andre overflater, består hele måleflaten av myke komponenter. Sensoren kan dessuten fortsatt rekonstruere den overordnede formen selv om enkelte fibre blir skadet eller koblet fra.

Lysspredning viser hvordan fiberen bøyes

De optiske fibrene er laget av en elastisk gummikjerne omgitt av et svart gummibelegg. Forskerne gjorde med vilje den ene siden av hver kjerne ruere enn den andre. Hensikten var å gjøre fiberens reaksjon på bøying tydeligere.

Når en fiber bøyes, spres noe av lyset bort fra den opprinnelige banen. Den rue overflaten gjør at lysspredningen avhenger av hvilken vei fiberen bøyes. Ved å måle lyset som kommer ut i motsatt ende, kan forskerne dermed beregne hvordan fiberen krummer seg.

Én fiber kan registrere bøyingen langs én linje, men det er langt mer krevende å rekonstruere formen til en hel overflate. MIT-teamet løste dette ved å bygge inn flere fibre i en elastisk silikonplate.

Sikksakkmønster ga best resultat

I datasimuleringer sammenlignet forskerne flere måter å plassere fibrene på, blant annet rutemønstre og sikksakkmønstre. En bestemt sikksakk-konfigurasjon viste seg å være mest effektiv til å registrere kompliserte formendringer.

Deretter laget teamet en fysisk plate med dette mønsteret. Lysdioder sender lys gjennom fibrene, mens sensorer i de motsatte endene måler signalet som kommer ut. Et eksternt kretskort samler inn og forsterker målingene, før en algoritme gjør dem om til et tredimensjonalt bilde av platen.

I demonstrasjoner brettet forskerne materialet diagonalt i motsatte retninger. Den digitale versjonen fulgte den skiftende geometrien mens platen endret form.

Lavere feil enn systemer med stive sensorer

For å undersøke nøyaktigheten la forskerne platen over presist utformede former laget med 3D-printer. Den rekonstruerte overflaten hadde en feilmargin på under 0,4 centimeter, opplyste Qifan Yu, som er masterstudent i maskinteknikk ved MIT.

Yu sa at sammenlignbare systemer med stive sensorer vanligvis har en feil på rundt 1–2 centimeter. Teamet viste også at platen kunne rekonstruere den samlede formen etter at noen av fibrene var kuttet over eller koblet fra.

Kan brukes i klær og rehabilitering

Forskerne ser for seg at materialet kan bygges inn i klær som lar brukere kontrollere figurer i videospill eller fjernstyre roboter. Teknologien kan også brukes av fysioterapeuter til å måle pasienters bevegelighet under rehabilitering.

En terapeut kan for eksempel legge materialet rundt en pasients arm eller bein for å registrere bevegelser og bevegelsesutslag. Gjentatte målinger kan gjøre det mulig å sammenligne bevegeligheten fra én konsultasjon til den neste og vurdere framgangen i behandlingen.

Studiets medforfatter Kaitlin Becker, førsteamanuensis i maskinteknikk ved MIT, påpekte at teknologien kan hjelpe terapeuter med å sammenligne pasientvurderinger over tid.

Videre vil forskerne gjøre fibrene tynnere. De har i dag en diameter på rundt 1 millimeter, men forbedrede produksjonsmetoder kan redusere den til noen titalls mikrometer. Tynnere fibre vil gjøre det mulig å bygge inn flere målepunkter i klærne og kan gi mer detaljerte registreringer av kroppens bevegelser.

Studien er publisert i tidsskriftet Advanced Intelligent Systems.