MIT Kembangkan Lembar Sensor Gerak Fleksibel Berbasis Serat Optik

Telset.id – MIT engineers telah membangun lembar sensor bentuk yang lembut dan dapat dikenakan dengan pelacakan gerakan mandiri yang dapat berguna untuk mengendalikan game, virtual reality, dan aplikasi terapi fisik, lapor MIT News. Teknologi ini, yang memanfaatkan serat optik untuk melacak bentuk 3D lembaran itu sendiri, menjaga kesalahannya di bawah setengah sentimeter dalam pengujian laboratorium.

Qifan Yu, mahasiswa pascasarjana teknik mesin MIT di tim tersebut, menempatkan desain sensor kaku di sekitar 1 hingga 2 cm dan menyebut hasilnya “setidaknya setara dengan teknologi yang ada.” Lembaran ini juga masih berfungsi bahkan ketika rusak, tetapi seratnya tetap lebih tebal dari yang ideal untuk pakaian.

Kabar ini menyusul sebuah makalah, “Toward fully soft and multifunctional shape sensing via optical waveguide arrays,” yang baru-baru ini diterbitkan di Advanced Intelligent Systems. Makalah tersebut merinci bahwa waveguide merespons pembengkokan di kedua arah, “bi-directional,” dengan susunan array yang ditata untuk membedakan bentuk.

Cara Kerja Serat Optik Pendeteksi Bentuk

Respons serat gabungan berarti lebih sedikit elemen sensor yang dibutuhkan, dan itu juga dapat meningkatkan ketahanan terhadap kerusakan. Serat tersebut merespons tekanan, sehingga dapat merasakan gaya eksternal, seperti tekanan pada lengan bawah dalam demo terapi fisik.

Biasanya, serat polos, inti transparan di dalam cladding yang memerangkap cahaya, akan memiliki lebih sedikit cahaya yang mencapai ujung jauh ketika dibengkokkan; mengukur output cahaya membantu mengukur pembengkokan. Perubahan MIT di sini termasuk menggunakan inti karet fleksibel alih-alih kaca, dengan cladding diwarnai hitam. Satu sisi sengaja dibuat kasar sehingga membengkokkan serat ke arah sisi itu, atau ke arah berlawanan, menyebabkan jumlah cahaya yang hilang berbeda. Ini memungkinkan penginderaan terarah.

Banyak serat semacam itu tertanam dalam lembaran silikon, dengan LED di satu ujung setiap serat dan sensor cahaya di ujung lainnya. Permukaan penginderaan sepenuhnya lembut, tetapi lembaran itu tidak meregang secara keseluruhan. Sebuah papan sirkuit eksternal menangani pengumpulan data dengan algoritma yang menerjemahkannya menjadi bentuk lembaran dan 3D penuh. Ke-14 waveguide masing-masing memiliki panjang 160 mm dalam dua lapisan berisi tujuh, zig-zag di dalam lembaran silikon berukuran 16 x 16 x 0,5 cm. Elektronik tetap berada di tepi, termasuk konverter analog-ke-digital yang mengumpankan mikrokontroler melalui I2C. Rekonstruksi berjalan di MATLAB sekitar tiga kali per detik, laju yang mencakup pengambilan sampel sensor, pencatatan data, dan plotting.

Untuk memilih tata letak, tim pertama-tama mensimulasikan lembaran dengan susunan waveguide berbeda: tim menghasilkan output cahaya yang akan diberikan setiap serat untuk bentuk yang diketahui, menjalankan pembacaan tersebut melalui algoritma rekonstruksi untuk memperkirakan bentuk 3D, dan membandingkan perkiraan dengan yang diketahui. Satu pola jarak zig-zag memiliki kecocokan paling dekat. Dalam simulasi, antara 3 dan 20 waveguide per lapisan digunakan pada sudut 0 hingga 35 derajat pada enam bentuk target, dengan noise tambahan 10%, selama 30 percobaan masing-masing. Para peneliti menemukan bahwa memiringkan waveguide meningkatkan akurasi lebih dari menambahkan waveguide tambahan.

Ketahanan diuji dengan beberapa serat dipotong atau terputus, dengan sisanya masih mampu merekonstruksi bentuk keseluruhan. Dalam simulasi, kesalahan tetap di bawah 0,3 cm dengan hingga tiga dari 14 waveguide dinonaktifkan, dan naik menjadi sekitar 1 cm atau lebih dari lima waveguide. Lembaran nyata kemudian dibangun berdasarkan temuan pola dan diuji dengan lipatan diagonal.

Untuk akurasi, lembaran itu diletakkan di atas tiga cetakan 3D dari bentuk yang diketahui, dengan metrik berupa jarak root-mean-square antara permukaan nyata dan yang direkonstruksi: 0,37, 0,28, dan 0,45 cm. Penginderaan gaya tidak memiliki pembacaan gaya terkalibrasi untuk memberi tahu seberapa keras, dan deteksi ini berjalan terpisah dari mode bentuk. Setiap demo yang dapat dikenakan dilakukan oleh satu penulis pada tubuhnya sendiri, dengan metode penskalaan yang lebih sederhana untuk sudut pergelangan tangan dan siku, karena peregangan pada sendi tersebut mengacaukan algoritma bentuk, tanpa komentar tentang kenyamanan.

Target Aplikasi hingga Masa Depan Serat Lebih Tipis

Yu mengatakan pengaturan ini menargetkan permukaan penginderaan yang sepenuhnya lembut, sehingga berpotensi lebih aman di sekitar orang. Kaitlyn Becker, asisten profesor teknik mesin MIT dan salah satu penulis, mengatakan tim berharap dapat membangun alat yang membantu terapis fisik melacak dan mengukur kemajuan pasien dari waktu ke waktu, membandingkan sesi dengan lebih tepat.

Di luar itu, teknologi ini juga dapat digunakan dalam virtual reality untuk meniru gerakan atau dapat digunakan untuk teleoperasi robot, atau bahkan sekadar robot lunak. Karena serat yang lebih tipis akan memiliki penerapan yang lebih luas, para peneliti berencana menargetkan lembaran yang lebih tipis terlebih dahulu. Serat setebal 1 mm saat ini bisa menjadi setipis puluhan mikrometer, lebih tipis dari rambut manusia. Jumlah serat yang lebih tinggi kemudian dapat menghasilkan pakaian pintar.

Tim juga menyarankan pekerjaan di masa depan dapat berfokus pada solver yang lebih cepat alih-alih yang serbaguna di MATLAB, lebih banyak lapisan waveguide dan waveguide yang lebih sempit untuk detail lebih baik dengan lembaran tipis, lembaran terpisah untuk mengukur gaya dan bentuk secara bersamaan, serta elektronik yang dapat meregang.

Pengembangan sensor lembut ini melengkapi tren inovasi teknologi yang tengah berkembang, sejalan dengan berbagai terobosan yang dilaporkan Telset.id di sektor sains dan teknologi. Inovasi semacam ini menunjukkan bagaimana riset akademik terus mendorong batas perangkat wearable yang lebih aman dan fungsional.