Um novo tipo de sensor de pressão baseado na luz poderia permitir a criação de peles artificiais sensíveis para dar aos robôs um melhor senso de toque, monitores de pressão arterial vestíveis para humanos e telas e dispositivos sensíveis ao toque opticamente transparentes.

Na revista Optical Society (OSA) Cartas de Óptica , pesquisadores relatam sobre um sensor que detecta pressão analisando mudanças na quantidade de luz que viaja através de minúsculos túneis embutidos em polidimetilsiloxano (PDMS), um tipo comum de silicone. O flexível, O dispositivo transparente é sensível até mesmo a uma pressão suave e é menos sujeito a falhas em comparação com os tipos anteriores de sensores de pressão. Também deve ser viável incorporar os sensores ópticos incorporados em uma grande área de superfície, pesquisadores dizem.

"A folha de silicone pode ser colocada em painéis de exibição para permitir telas sensíveis ao toque, ou pode ser envolvido em superfícies de robô como uma camada de pele artificial para interações táteis, "diz Suntak Park, Instituto de Pesquisa Eletrônica e de Telecomunicações, Daejeon, Coreia do Sul. "Considerando que o PDMS é um biocompatível muito conhecido, material não tóxico, a folha do sensor pode até ser aplicada sobre ou dentro do corpo humano, por exemplo, para monitorar a pressão arterial. "

Medir a distribuição de pressão sobre uma superfície curva pode ser importante em áreas de pesquisa como aerodinâmica e dinâmica de fluidos. Park diz que os sensores podem ser úteis para estudar os efeitos relacionados à pressão nas superfícies das aeronaves, automóveis e navios.

Evitando interferência

A maioria dos sensores de pressão existentes são baseados em eletrônicos. Sensores piezoresistivos, por exemplo, que são frequentemente usados ​​como acelerômetros, medidores de fluxo e sensores de pressão de ar, alterar sua resistência elétrica quando submetido a esforços mecânicos. O problema com sistemas eletrônicos é que eles podem estar sujeitos a interferência eletromagnética de fontes de energia, instrumentos próximos e objetos carregados. Eles também contêm componentes de metal, que pode bloquear a luz e estar sujeito à corrosão.

"Nossa abordagem é quase isenta de tais problemas porque o dispositivo de detecção está embutido no meio de uma folha feita de borracha de silicone, "diz Park." Quando comparado com abordagens elétricas, nossa abordagem óptica é particularmente adequada para aplicações que tiram proveito da viabilidade de grandes áreas, resistência à interferência eletromagnética, e alta transparência visual. "

Sentindo pressão com luz

O dispositivo funciona medindo o fluxo de luz através de um par de tubos minúsculos precisamente arranjados, conhecido como conjunto de junção de túnel fotônico. "A matriz de junção de túnel fotônica sensível à pressão consiste em canais de orientação de luz, onde a pressão externa altera o brilho da luz transmitida através deles, "Park diz." Isso é semelhante a como uma válvula ou torneira funciona em um nó de divisão de fluxo. "

Os tubos, ou guias de ondas, são executados paralelamente entre si e são incorporados ao PDMS. Em parte de seu comprimento, eles estão próximos o suficiente para que a luz passe pelo primeiro tubo, canal 1, pode passar para o segundo, canal 2. Quando a pressão é aplicada, o PDMS é compactado, mudando o espaçamento entre os canais e permitindo que mais luz se mova para o canal 2. A pressão também causa uma mudança no índice de refração do PDMS, alterando a luz.

A luz entra no dispositivo através de uma fibra óptica em uma extremidade e é coletada por um fotodiodo na outra. Conforme a pressão aumenta, mais luz acaba no canal 2 e menos no canal 1. Medir o brilho da luz que sai da extremidade de cada canal informa aos pesquisadores quanta pressão foi aplicada.

Embora outros sensores de pressão óptica tenham sido desenvolvidos, este é o primeiro a incorporar a estrutura de detecção no PDMS. Sendo embutido o protege de contaminantes.

Colocando à prova

Para testar o dispositivo, os pesquisadores colocaram um "esboço de pressão" no topo do sensor e aumentaram gradualmente a pressão. Em um sensor de 5 mm de comprimento embutido em uma folha de PDMS de 50 µm de espessura, os pesquisadores mediram uma mudança na potência óptica de 140% a uma pressão de aproximadamente 40 quilopascais (kPa). Esta demonstração de prova de conceito sugere que o dispositivo é capaz de detectar pressão tão baixa quanto 1 kPa, aproximadamente o mesmo nível de sensibilidade de um dedo humano. A variação da pressão arterial entre os batimentos cardíacos é de cerca de 5 kPa.

Park diz que várias etapas são necessárias para mover o sensor de uma demonstração de laboratório para um dispositivo prático. Uma é desenvolver uma maneira mais simples de conectar as fibras ópticas que movem a luz para dentro e para fora do sensor. No desenvolvimento de seu protótipo, a equipe de pesquisa usou ferramentas de alinhamento de precisão, que seria muito caro e demorado para usar na maioria das aplicações comerciais. Uma abordagem alternativa, conhecidas como fibras pigtail, que as empresas de telecomunicações usam para acoplar fibras em seus sistemas, deve tornar o processo mais fácil.

Além disso, a equipe testou sua abordagem com um sensor unidimensional, enquanto a maioria das aplicações exigiria uma matriz bidimensional de sensores. Isso provavelmente pode ser feito girando uma folha unidimensional 90 graus e colocando-a em cima de outra, criando uma matriz hachurada. O tamanho dos sensores e o espaçamento entre eles provavelmente também precisariam ser otimizados para diferentes aplicações.