Le entusiasmanti applicazioni dei sensori indossabili hanno stimolato un'enorme quantità di ricerche e investimenti aziendali negli ultimi anni. I sensori attaccati al corpo o integrati nell'abbigliamento potrebbero consentire ad atleti e fisioterapisti di monitorare i propri progressi, fornire un livello più dettagliato di motion capture per giochi per computer o animazioni, aiutare gli ingegneri a costruire robot con un tocco più leggero o formare la base per nuovi tipi di monitor della salute in tempo reale.

In ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, un team guidato da Changxi Yang dello State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments presso l'Università Tsinghua di Pechino offre la prima dimostrazione di fibre ottiche abbastanza robuste da rilevare un'ampia gamma di movimenti umani.

La nuova fibra è abbastanza sensibile e flessibile da poter rilevare i movimenti articolari, a differenza dei sensori in fibra attualmente utilizzati. "Questa nuova tecnica fornisce un approccio in fibra ottica per misurare deformazioni estremamente grandi, " ha detto Yang. "È indossabile, montabile e possiede anche vantaggi intrinseci delle fibre ottiche come la sicurezza elettrica intrinseca e l'immunità alle interferenze elettromagnetiche."

Problemi con lo stretching

Le fibre ottiche sono state utilizzate per anni per il rilevamento della deformazione su ponti ed edifici; allungare o piegare leggermente la fibra e la luce che la attraversa viene spostata in modo che possa essere facilmente rilevata da un monitor. Tradizionalmente le fibre ottiche non sono state la scelta migliore per il rilevamento della deformazione sul corpo umano perché sono tipicamente realizzate in plastica o vetro, che sono rigidi e non si piegano bene. Una fibra di vetro di silice, Per esempio, può sopportare una sollecitazione massima inferiore all'1 percento, mentre un'articolazione del dito piegata lo sforzerebbe di oltre il 30 percento.

Questa barriera ha fatto sì che la maggior parte degli sviluppi dei sensori indossabili finora si sia basata su sensori elettronici. Questi sensori rilevano il movimento misurando i cambiamenti nelle proprietà elettriche come la resistenza quando il sensore si piega. Però, questi sistemi sono difficili da miniaturizzare, possono perdere la loro carica elettrica e sono sensibili alle interferenze elettromagnetiche provenienti da dispositivi come automobili e telefoni cellulari. Una fibra ottica pieghevole potrebbe evitare questi problemi e creare potenzialmente dispositivi indossabili più stabili e sostenibili di quelli basati sull'elettronica.

Silicone semplice

Quando i ricercatori hanno iniziato a cercare una fibra che potesse resistere alla quantità di piegamenti e stiramenti coinvolti nei movimenti umani, hanno prima provato le fibre fatte di idrogel, un morbido, sostanza gelatinosa che può contenere ceppi fino al 700 percento. Ma l'idrogel consiste principalmente di acqua, e quindi funzionava solo in ambienti umidi. Quando esposto all'aria, le fibre si asciugarono rapidamente e si restrinsero.

In un secondo tentativo, Yang e i suoi studenti, Jingjing Guo e Mengxuan Niu, ha sviluppato una fibra in silicone, in particolare un polimero morbido chiamato polidimetilsilossano (PDMS). Hanno creato la fibra mettendo il silicone liquido in uno stampo a forma di tubo e scaldandolo a 80° C (176° F) per 40 minuti per farlo addensare, quindi ha usato la pressione dell'acqua per spingere una fibra sottile fuori da un'estremità dello stampo. Sottopongono le fibre risultanti a un'elaborata serie di test, come allungarli ripetutamente per raddoppiare la loro lunghezza. Anche dopo 500 allungamenti, una fibra ancora tornata alla sua lunghezza originale.

"Le fibre PDMS fabbricate hanno mostrato un'eccellente flessibilità meccanica, e potrebbe essere facilmente legato e attorcigliato, " disse Yang. Per di più, quando il team ha ridotto il diametro delle fibre prodotte, da 2 millimetri a 0,5 millimetri, la resistenza meccanica delle fibre di fatto è aumentata.

Per aiutare nel rilevamento, i ricercatori hanno mescolato al silicone un colorante fluorescente chiamato rodamina B. Quando la luce splende attraverso la fibra, parte della luce viene assorbita dal colorante:più la fibra si allunga, più luce assorbe il colorante. Quindi la semplice misurazione della luce trasmessa con uno spettroscopio fornisce una misurazione di quanto la fibra viene allungata o piegata, che racconta a un osservatore il movimento di qualsiasi parte del corpo a cui è attaccato.

La prova del guanto

I ricercatori hanno testato questa idea incollando la loro fibra a un guanto di gomma con resina epossidica, e poi monitorandolo mentre chi lo indossa fletteva ed estendeva le dita. Durante quel movimento, hanno misurato una deformazione nella fibra del 36 percento, in linea con quanto altri avevano misurato utilizzando sensori elettronici.

"La notevole flessibilità ed elasticità della fibra PDMS la rende particolarmente attraente per il rilevamento di grandi sollecitazioni, " disse Yang, aggiungendo che questa è la prima volta che i ricercatori hanno utilizzato un sensore ottico per catturare il movimento umano.

Il sensore si è comportato bene anche in situazioni che comportano sollecitazioni più sottili, come i piccoli movimenti dei muscoli del collo mentre una persona respira o parla. "Tutti i risultati mostrano che il sensore ottico di deformazione può essere utilizzato per il monitoraggio di vari movimenti umani e può fornire un nuovo approccio per l'esplorazione delle interfacce uomo-macchina, " ha detto Yang.

Il team ha testato la capacità delle loro fibre di rilevare la tensione per periodi di tempo più lunghi e in ambienti diversi, come nell'acqua, glicerolo e aria. Hanno imparato che le fibre resistono bene, anche se la precisione di rilevamento è cambiata in ambienti diversi, suggerendo che i dispositivi che utilizzano i sensori basati su fibra ottica dovrebbero essere calibrati per l'ambiente specifico in cui verrebbero utilizzati.

Il team ha illuminato la fibra attaccandola a una lampada alogena, e misurò la luce che lo attraversava con uno spettrometro. Per adattare la tecnologia per creare un dispositivo indossabile, Yang ha affermato che dovrebbe essere possibile sviluppare una sorgente luminosa compatta e uno spettrometro che possano essere facilmente indossati sul corpo.