Las interesantes aplicaciones de los sensores portátiles han provocado una enorme cantidad de investigación e inversión empresarial en los últimos años. Los sensores adheridos al cuerpo o integrados en la ropa podrían permitir a los atletas y fisioterapeutas monitorear su progreso. proporcionar un nivel más detallado de captura de movimiento para juegos de computadora o animación, ayudar a los ingenieros a construir robots con un toque más ligero o formar la base para nuevos tipos de monitores de salud en tiempo real.

En Optica , La revista de la Optical Society para la investigación de alto impacto, un equipo dirigido por Changxi Yang del Laboratorio Estatal Clave de Tecnología e Instrumentos de Medición de Precisión de la Universidad de Tsinghua en Beijing ofrece la primera demostración de fibras ópticas lo suficientemente resistentes como para detectar un amplio rango de movimiento humano.

La nueva fibra es lo suficientemente sensible y flexible como para detectar movimientos articulares, a diferencia de los sensores de fibra utilizados actualmente. "Esta nueva técnica proporciona un enfoque de fibra óptica para medir deformaciones extremadamente grandes, "dijo Yang." Es usable, montable y también posee las ventajas intrínsecas de las fibras ópticas, como la seguridad eléctrica inherente y la inmunidad a las interferencias electromagnéticas ".

Problemas para estirar

Las fibras ópticas se han utilizado para la detección de deformaciones en puentes y edificios durante años; Estire o doble la fibra un poco y la luz que la atraviesa se desplaza de manera que pueda ser captada fácilmente por un monitor. Tradicionalmente, las fibras ópticas no han sido la mejor opción para la detección de tensión en el cuerpo humano porque normalmente están hechas de plástico o vidrio. que son rígidos y no se doblan bien. Una fibra de vidrio de sílice, por ejemplo, puede soportar una tensión máxima de menos del 1 por ciento, mientras que la articulación de un dedo flexionada la tensaría en más del 30 por ciento.

Esta barrera ha significado que la mayoría de los desarrollos de sensores portátiles hasta ahora se hayan basado en sensores electrónicos. Estos sensores detectan el movimiento midiendo los cambios en las propiedades eléctricas, como la resistencia, cuando el sensor se dobla. Sin embargo, estos sistemas son difíciles de miniaturizar, pueden perder su carga eléctrica y son sensibles a la interferencia electromagnética de dispositivos como automóviles y teléfonos celulares. Una fibra óptica flexible podría evitar estos problemas y potencialmente crear dispositivos portátiles que son más estables y sostenibles que los basados ​​en la electrónica.

Silicona simple

Cuando los investigadores comenzaron a buscar una fibra que pudiera resistir la cantidad de flexión y estiramiento involucrados en los movimientos humanos, Primero probaron fibras hechas de hidrogel, un suave Sustancia gelatinosa que puede contener tensiones de hasta un 700 por ciento. Pero el hidrogel consiste principalmente en agua, y por lo tanto solo funcionó en ambientes húmedos. Cuando se expone al aire, las fibras se secaron y encogieron rápidamente.

En un segundo intento, Yang y sus alumnos, Jingjing Guo y Mengxuan Niu, desarrolló una fibra hecha de silicona, específicamente un polímero blando llamado polidimetilsiloxano (PDMS). Crearon la fibra poniendo la silicona líquida en un molde en forma de tubo y calentándola a 80 ° C (176 ° F) durante 40 minutos para que espese. luego usó presión de agua para sacar una fibra delgada de un extremo del molde. Sometieron las fibras resultantes a una elaborada serie de pruebas, como estirarlos repetidamente para duplicar su longitud. Incluso después de 500 estiramientos, una fibra todavía volvió a su longitud original.

"Las fibras PDMS fabricadas exhibieron una excelente flexibilidad mecánica, y se podría atar y torcer fácilmente, "dijo Yang. Además, cuando el equipo redujo el diámetro de las fibras que producían, de 2 milímetros a 0,5 milímetros, la resistencia mecánica de las fibras aumentó realmente.

Para ayudar en la detección, los investigadores mezclaron un tinte fluorescente llamado rodamina B en la silicona. Cuando la luz brilla a través de la fibra, parte de la luz es absorbida por el tinte; cuanto más se estira la fibra, más luz absorbe el tinte. Entonces, simplemente medir la luz transmitida con un espectroscopio proporciona una medida de cuánto se estira o dobla la fibra, que le dice a un observador sobre el movimiento de cualquier parte del cuerpo a la que esté adherido.

La prueba del guante

Los investigadores probaron esa idea pegando su fibra a un guante de goma con epoxi, y luego monitorearlo mientras un usuario flexiona y extiende sus dedos. Durante ese movimiento, midieron una tensión en la fibra del 36 por ciento, en línea con lo que otros habían medido utilizando sensores electrónicos.

"La notable flexibilidad y capacidad de estiramiento de la fibra PDMS la hace especialmente atractiva para detectar grandes tensiones, "dijo Yang, agregando que esta es la primera vez que los investigadores han utilizado un sensor óptico para capturar el movimiento humano.

El sensor también funcionó bien en situaciones que implican tensiones más sutiles, como los diminutos movimientos de los músculos del cuello cuando una persona respira o habla. "Todos los resultados muestran que el sensor óptico de deformación se puede utilizar para monitorear varios movimientos humanos y puede proporcionar un nuevo enfoque para la exploración de interfaces hombre-máquina, "dijo Yang.

El equipo probó qué tan bien sus fibras detectaban la tensión durante períodos de tiempo más largos y en diferentes entornos. como en el agua, glicerol y aire. Aprendieron que las fibras aguantaban bien, aunque la precisión de la detección cambió en diferentes entornos, sugiriendo que los dispositivos que utilizan sensores basados ​​en fibra óptica deberían calibrarse para el entorno específico en el que se utilizarían.

El equipo iluminó la fibra uniéndola a una lámpara halógena, y midió la luz que lo atraviesa con un espectrómetro. Para adaptar la tecnología para crear un dispositivo portátil, Yang dijo que debería ser posible desarrollar una fuente de luz compacta y un espectrómetro que se pueda usar fácilmente en el cuerpo.