Un nuovo tipo di sensore di pressione basato sulla luce potrebbe consentire la creazione di pelli artificiali sensibili per dare ai robot un migliore senso del tatto, misuratori di pressione sanguigna indossabili per l'uomo e touch screen e dispositivi otticamente trasparenti.

Nella rivista della Optical Society (OSA) Lettere di ottica , i ricercatori riferiscono di un sensore che rileva la pressione analizzando i cambiamenti nella quantità di luce che viaggia attraverso minuscoli tunnel incorporati nel polidimetilsilossano (PDMS), un tipo comune di silicone. Il flessibile, il dispositivo trasparente è sensibile anche a una pressione delicata ed è meno soggetto a guasti rispetto ai precedenti tipi di sensori di pressione. Dovrebbe anche essere possibile incorporare i sensori ottici incorporati su un'ampia superficie, dicono i ricercatori.

"Il foglio di silicone può essere posizionato su pannelli di visualizzazione per abilitare i touch screen, o può essere avvolto su superfici robot come uno strato di pelle artificiale per interazioni tattili, "dice Suntak Park, Istituto di ricerca elettronica e telecomunicazioni, Daejeon, Corea del Sud. "Considerando che il PDMS è un biocompatibile molto noto, materiale atossico, il foglio sensore può anche essere applicato sopra o all'interno del corpo umano, Per esempio, monitorare la pressione sanguigna".

La misurazione della distribuzione della pressione su una superficie curva può essere importante in aree di ricerca come l'aerodinamica e la fluidodinamica. Park afferma che i sensori potrebbero essere utili per studiare gli effetti legati alla pressione sulle superfici degli aerei, automobili e navi.

Evitare le interferenze

La maggior parte dei sensori di pressione esistenti si basa sull'elettronica. Sensori piezoresistivi, ad esempio, che sono spesso usati come accelerometri, misuratori di portata e sensori di pressione dell'aria, cambiano la loro resistenza elettrica quando sono sottoposti a sollecitazioni meccaniche. Il problema con i sistemi elettronici è che possono essere soggetti a interferenze elettromagnetiche da fonti di alimentazione, strumenti vicini e oggetti carichi. Contengono inoltre componenti metallici, che possono bloccare la luce ed essere soggetti a corrosione.

"Il nostro approccio è quasi esente da tali problemi perché il dispositivo di rilevamento è incorporato nel mezzo di un foglio di gomma siliconica, " dice Park. "Rispetto agli approcci elettrici, il nostro approccio ottico è particolarmente adatto per applicazioni che sfruttano la fattibilità di grandi aree, resistenza alle interferenze elettromagnetiche, e un'elevata trasparenza visiva."

Rilevamento della pressione con la luce

Il dispositivo funziona misurando il flusso di luce attraverso una coppia di minuscoli tubi disposti con precisione noti come array fotonici di giunzione a tunnel. "L'array di giunzione a tunnel fotonico sensibile alla pressione è costituito da canali di guida della luce in cui la pressione esterna modifica la luminosità della luce trasmessa attraverso di essi, "Dice Park. "Questo è simile a come funziona una valvola o un rubinetto in un nodo di divisione del flusso".

I tubi, o guide d'onda, corrono paralleli tra loro e sono incorporati in PDMS. Per parte della loro lunghezza sono abbastanza vicini che la luce che passa attraverso il primo tubo, canale 1, può passare nel secondo, canale 2. Quando viene applicata la pressione, il PDMS è compresso, modificando la spaziatura tra i canali e consentendo a più luce di spostarsi nel canale 2. La pressione provoca anche un cambiamento nell'indice di rifrazione del PDMS, alterando la luce.

La luce entra nel dispositivo attraverso una fibra ottica da un lato e viene raccolta da un fotodiodo dall'altro. All'aumentare della pressione, più luce finisce nel canale 2 e meno nel canale 1. La misurazione della luminosità della luce che esce dall'estremità più lontana di ciascun canale dice ai ricercatori quanta pressione è stata applicata.

Sebbene siano stati sviluppati altri sensori di pressione ottici, questo è il primo a incorporare la struttura di rilevamento all'interno di PDMS. Essendo incorporato lo protegge dai contaminanti.

Mettendolo alla prova

Per testare il dispositivo, i ricercatori hanno posizionato un "mozzo di pressione" sopra il sensore e hanno gradualmente aumentato la pressione. In un sensore lungo 5 mm incorporato in un foglio di PDMS spesso 50 µm, i ricercatori hanno misurato una variazione della potenza ottica del 140% a una pressione di circa 40 kilopascal (kPa). Questa dimostrazione dimostrativa suggerisce che il dispositivo è in grado di rilevare una pressione fino a 1 kPa, all'incirca lo stesso livello di sensibilità di un dito umano. La variazione della pressione sanguigna tra i battiti cardiaci è di circa 5 kPa.

Park afferma che sono necessari diversi passaggi per spostare il sensore da una dimostrazione di laboratorio a un dispositivo pratico. Uno è quello di sviluppare un modo più semplice per collegare le fibre ottiche che muovono la luce dentro e fuori il sensore. Nello sviluppo del loro prototipo, il team di ricerca ha utilizzato strumenti di allineamento di precisione, che sarebbe troppo costoso e dispendioso in termini di tempo da utilizzare nella maggior parte delle applicazioni commerciali. Un approccio alternativo, note come fibre di codino, che le società di telecomunicazioni utilizzano per accoppiare le fibre nei loro sistemi, dovrebbe facilitare il processo.

Inoltre, il team ha testato il loro approccio con un sensore unidimensionale, considerando che la maggior parte delle applicazioni richiederebbe una serie di sensori bidimensionali. Ciò può probabilmente essere ottenuto ruotando un foglio unidimensionale di 90 gradi e posizionandolo sopra un altro, creando una matrice tratteggiata. Anche la dimensione dei sensori e la distanza tra loro dovrebbero essere ottimizzate per diverse applicazioni.