Les applications passionnantes des capteurs portables ont suscité une énorme quantité de recherches et d'investissements commerciaux ces dernières années. Des capteurs fixés au corps ou intégrés aux vêtements pourraient permettre aux athlètes et aux kinésithérapeutes de suivre leurs progrès, fournir un niveau de capture de mouvement plus détaillé pour les jeux informatiques ou l'animation, aider les ingénieurs à construire des robots avec un toucher plus léger ou former la base de nouveaux types de moniteurs de santé en temps réel.

Dans Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact, une équipe dirigée par Changxi Yang du State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments de l'Université Tsinghua de Pékin offre la première démonstration de fibres optiques suffisamment robustes pour détecter une large gamme de mouvements humains.

La nouvelle fibre est suffisamment sensible et flexible pour détecter les mouvements articulaires, contrairement aux capteurs à fibre actuellement utilisés. « Cette nouvelle technique offre une approche fibre optique pour mesurer des déformations extrêmement importantes, " dit Yang. " C'est portable, montable et possède également les avantages intrinsèques des fibres optiques tels que la sécurité électrique inhérente et l'immunité aux interférences électromagnétiques.

Problème d'étirement

Les fibres optiques sont utilisées depuis des années pour la détection de contrainte sur les ponts et les bâtiments; étirez ou pliez un peu la fibre et la lumière qui la traverse est déplacée d'une manière qui peut être facilement captée par un moniteur. Traditionnellement, les fibres optiques n'ont pas été le meilleur choix pour la détection de contrainte sur le corps humain car elles sont généralement en plastique ou en verre, qui sont raides et ne se plient pas bien. Une fibre de verre de silice, par exemple, peut supporter une contrainte maximale inférieure à 1 %, tandis qu'une articulation de doigt pliée le fatiguerait de plus de 30 pour cent.

Cette barrière a signifié que la plupart des développements de capteurs portables jusqu'à présent ont été basés sur des capteurs électroniques. Ces capteurs détectent les mouvements en mesurant les modifications des propriétés électriques telles que la résistance lorsque le capteur se plie. Cependant, ces systèmes sont difficiles à miniaturiser, peuvent perdre leur charge électrique et sont sensibles aux interférences électromagnétiques des appareils tels que les voitures et les téléphones portables. Une fibre optique pliable pourrait éviter ces problèmes et potentiellement créer des dispositifs portables plus stables et durables que ceux basés sur l'électronique.

Silicone simple

Lorsque les chercheurs ont commencé à chercher une fibre capable de résister à la quantité de flexion et d'étirement impliqués dans les mouvements humains, ils ont d'abord essayé des fibres en hydrogel, un doux, substance gélatineuse pouvant contenir jusqu'à 700 % de souches. Mais l'hydrogel se compose principalement d'eau, et n'a donc fonctionné que dans des environnements humides. Lorsqu'il est exposé à l'air, les fibres ont rapidement séché et rétréci.

Dans une seconde tentative, Yang et ses élèves, Jingjing Guo et Mengxuan Niu, a développé une fibre en silicone, en particulier un polymère souple appelé polydiméthylsiloxane (PDMS). Ils ont créé la fibre en mettant le silicone liquide dans un moule en forme de tube et en le chauffant à 80°C (176°F) pendant 40 minutes pour le faire épaissir, puis utilisé la pression de l'eau pour pousser une fibre mince hors d'une extrémité du moule. Ils soumettent les fibres résultantes à une série de tests élaborés, comme les étirer à plusieurs reprises pour doubler leur longueur. Même après 500 étirements, une fibre est encore revenue à sa longueur d'origine.

"Les fibres PDMS fabriquées ont présenté une excellente flexibilité mécanique, et pourrait facilement être attaché et tordu, " dit Yang. De plus, lorsque l'équipe a réduit le diamètre des fibres qu'ils produisaient, de 2 millimètres à 0,5 millimètres, la résistance mécanique des fibres a effectivement augmenté.

Pour aider à la détection, les chercheurs ont mélangé un colorant fluorescent appelé Rhodamine B dans le silicone. Lorsque la lumière traverse la fibre, une partie de la lumière est absorbée par le colorant - plus la fibre s'étire, plus le colorant absorbe de lumière. Donc, la simple mesure de la lumière transmise avec un spectroscope fournit une mesure de combien la fibre est étirée ou pliée, qui indique à un observateur le mouvement de toute partie du corps à laquelle il est attaché.

L'épreuve du gant

Les chercheurs ont testé cette idée en collant leur fibre sur un gant en caoutchouc avec de l'époxy, puis le surveillant pendant qu'un porteur fléchissait et étendait ses doigts. Au cours de ce mouvement, ils ont mesuré une contrainte dans la fibre de 36 pour cent, en ligne avec ce que d'autres avaient mesuré à l'aide de capteurs électroniques.

"La flexibilité et l'extensibilité remarquables de la fibre PDMS la rendent particulièrement attrayante pour la détection de grandes contraintes, " dit Yang, ajoutant que c'est la première fois que des chercheurs utilisent un capteur optique pour capturer le mouvement humain.

Le capteur a également bien fonctionné dans des situations impliquant des contraintes plus subtiles, tels que les mouvements infimes des muscles du cou lorsqu'une personne respire ou parle. "Tous les résultats montrent que le capteur de contrainte optique peut être utilisé pour surveiller divers mouvements humains et peut fournir une nouvelle approche pour l'exploration des interfaces homme-machine, " dit Yang.

L'équipe a testé la capacité de leurs fibres à détecter les contraintes sur de plus longues périodes et dans différents environnements, comme dans l'eau, glycérol et air. Ils ont appris que les fibres tenaient bien, bien que la précision de détection ait changé dans différents environnements, suggérant que les appareils utilisant les capteurs à fibre optique devraient être calibrés pour l'environnement spécifique dans lequel ils seraient utilisés.

L'équipe a illuminé la fibre en la fixant à une lampe halogène, et mesuré la lumière qui la traversait avec un spectromètre. Adapter la technologie pour créer un appareil portable, Yang a déclaré qu'il devrait être possible de développer une source de lumière et un spectromètre compacts qui peuvent être facilement portés sur le corps.