As aplicações empolgantes de sensores vestíveis geraram uma enorme quantidade de pesquisas e investimentos em negócios nos últimos anos. Sensores presos ao corpo ou integrados às roupas podem permitir que atletas e fisioterapeutas monitorem seu progresso, fornecem um nível mais detalhado de captura de movimento para jogos de computador ou animação, ajudar os engenheiros a construir robôs com um toque mais leve ou formar a base para novos tipos de monitores de saúde em tempo real.

No Optica , O jornal da Optical Society para pesquisas de alto impacto, uma equipe liderada por Changxi Yang do Laboratório de Tecnologia de Medição de Precisão e Instrumentos da Universidade de Tsinghua em Pequim oferece a primeira demonstração de fibras ópticas robustas o suficiente para detectar uma ampla gama de movimentos humanos.

A nova fibra é sensível e flexível o suficiente para detectar movimentos articulares, ao contrário dos sensores de fibra usados ​​atualmente. "Esta nova técnica fornece uma abordagem de fibra óptica para medir deformações extremamente grandes, "disse Yang." É usável, montável e também possui vantagens intrínsecas de fibras ópticas, como segurança elétrica inerente e imunidade à interferência eletromagnética. "

Problemas com alongamento

As fibras ópticas têm sido usadas para detecção de deformação em pontes e edifícios há anos; estique ou dobre um pouco a fibra e a luz que passa por ela é deslocada de uma forma que pode ser facilmente captada por um monitor. Tradicionalmente, as fibras ópticas não são a melhor escolha para detecção de deformação no corpo humano porque são normalmente feitas de plástico ou vidro, que são rígidos e não dobram bem. Uma fibra de vidro de sílica, por exemplo, pode lidar com uma tensão máxima de menos de 1 por cento, enquanto uma junta de dedo dobrada iria deformar em mais de 30 por cento.

Essa barreira significa que a maioria dos desenvolvimentos de sensores vestíveis até agora foram baseados em sensores eletrônicos. Esses sensores detectam o movimento medindo as mudanças nas propriedades elétricas, como a resistência à medida que o sensor se curva. Contudo, esses sistemas são difíceis de miniaturizar, podem perder sua carga elétrica e são sensíveis à interferência eletromagnética de dispositivos como carros e telefones celulares. Uma fibra óptica dobrável pode evitar esses problemas e potencialmente criar dispositivos vestíveis que são mais estáveis ​​e sustentáveis ​​do que aqueles baseados em eletrônicos.

Silicone simples

Quando os pesquisadores começaram a procurar uma fibra que pudesse suportar a quantidade de flexão e alongamento envolvidos nos movimentos humanos, eles primeiro experimentaram fibras feitas de hidrogel, Um leve, substância gelatinosa que pode conter tensões de até 700%. Mas o hidrogel consiste principalmente de água, e, portanto, só funcionou em ambientes úmidos. Quando exposto ao ar, as fibras secaram e encolheram rapidamente.

Em uma segunda tentativa, Yang e seus alunos, Jingjing Guo e Mengxuan Niu, desenvolveu uma fibra feita de silicone - especificamente um polímero macio chamado polidimetilsiloxano (PDMS). Eles criaram a fibra colocando o silicone líquido em um molde em forma de tubo e aquecendo-o a 80 ° C (176 ° F) por 40 minutos para engrossar, em seguida, usei a pressão da água para empurrar uma fibra fina para fora de uma das extremidades do molde. Eles colocam as fibras resultantes em uma elaborada série de testes, como esticá-los repetidamente para dobrar seu comprimento. Mesmo depois de 500 alongamentos, uma fibra ainda voltou ao seu comprimento original.

"As fibras de PDMS fabricadas exibiram excelente flexibilidade mecânica, e poderia ser facilmente amarrado e torcido, "disse Yang. Além do mais, quando a equipe reduziu o diâmetro das fibras que produziu, de 2 milímetros a 0,5 milímetros, a resistência mecânica das fibras realmente aumentou.

Para ajudar na detecção, os pesquisadores misturaram um corante fluorescente chamado rodamina B ao silicone. Quando a luz brilha através da fibra, parte da luz é absorvida pelo corante - quanto mais a fibra se estica, mais luz o corante absorve. Então, simplesmente medir a luz transmitida com um espectroscópio fornece uma medida de quanto a fibra está sendo esticada ou dobrada, que informa a um observador sobre o movimento de qualquer parte do corpo à qual está ligado.

O teste de luva

Os pesquisadores testaram essa ideia colando sua fibra a uma luva de borracha com epóxi, e então monitorando-o enquanto o usuário flexionava e estendia os dedos. Durante esse movimento, eles mediram uma deformação na fibra de 36 por cento, em linha com o que outros mediram usando sensores eletrônicos.

"A notável flexibilidade e extensibilidade da fibra PDMS a torna especialmente atraente para a detecção de grandes deformações, "disse Yang, acrescentando que esta é a primeira vez que os pesquisadores usaram um sensor óptico para capturar o movimento humano.

O sensor também teve um bom desempenho em situações que envolvem tensões mais sutis, como os movimentos diminutos dos músculos do pescoço enquanto uma pessoa respira ou fala. "Todos os resultados mostram que o sensor de deformação óptica pode ser usado para monitorar vários movimentos humanos e pode fornecer uma nova abordagem para a exploração de interfaces homem-máquina, "disse Yang.

A equipe testou o quão bem suas fibras detectaram a tensão por longos períodos de tempo e em diferentes ambientes, como na água, glicerol e ar. Eles aprenderam que as fibras agüentam bem, embora a precisão da detecção tenha mudado em diferentes ambientes, sugerir que dispositivos que usam sensores baseados em fibra óptica precisariam ser calibrados para o ambiente específico em que seriam usados.

A equipe iluminou a fibra conectando-a a uma lâmpada halógena, e mediu a luz que passa por ele com um espectrômetro. Para adaptar a tecnologia para criar um dispositivo vestível, Yang disse que deve ser possível desenvolver uma fonte de luz compacta e um espectrômetro que possam ser facilmente usados ​​no corpo.