Un nouveau type de capteur de pression basé sur la lumière pourrait permettre la création de peaux artificielles sensibles pour donner aux robots un meilleur sens du toucher, tensiomètres portables pour humains et écrans et appareils tactiles optiquement transparents.

Dans la revue Optical Society (OSA) Lettres d'optique , les chercheurs rapportent sur un capteur qui détecte la pression en analysant les changements de la quantité de lumière traversant de minuscules tunnels intégrés dans du polydiméthylsiloxane (PDMS), un type courant de silicone. Le souple, Le dispositif transparent est sensible à une pression même légère et est moins sujet aux pannes par rapport aux types précédents de capteurs de pression. Il devrait également être possible d'incorporer les capteurs optiques embarqués sur une grande surface, disent les chercheurs.

"La feuille de silicone peut être placée sur les panneaux d'affichage pour permettre aux écrans tactiles, ou peut être enveloppé sur des surfaces de robot comme une couche de peau artificielle pour des interactions tactiles, " dit Suntak Park, Institut de recherche en électronique et télécommunications, Daejeon, Corée du Sud. "Considérant que le PDMS est un biocompatible très connu, matériau non toxique, la feuille de capteur peut même être appliquée sur ou à l'intérieur du corps humain, par exemple, pour surveiller la tension artérielle."

La mesure de la distribution de la pression sur une surface courbe peut être importante dans des domaines de recherche tels que l'aérodynamique et la dynamique des fluides. Park dit que les capteurs pourraient être utiles pour étudier les effets liés à la pression sur les surfaces des avions, automobiles et bateaux.

Éviter les interférences

La plupart des capteurs de pression existants sont basés sur l'électronique. Capteurs piézorésistifs, par exemple, qui sont souvent utilisés comme accéléromètres, débitmètres et capteurs de pression d'air, changer leur résistance électrique lorsqu'ils sont soumis à des contraintes mécaniques. Le problème avec les systèmes électroniques est qu'ils peuvent être soumis à des interférences électromagnétiques provenant de sources d'alimentation, instruments à proximité et objets chargés. Ils contiennent également des composants métalliques, qui peut bloquer la lumière et être sujet à la corrosion.

"Notre approche est presque exempte de tels problèmes car le dispositif de détection est noyé au milieu d'une feuille en caoutchouc de silicone, " dit Park. " Par rapport aux approches électriques, notre approche optique est particulièrement adaptée aux applications tirant parti de la faisabilité sur grande surface, résistance aux interférences électromagnétiques, et une transparence visuelle élevée."

Détection de la pression avec la lumière

L'appareil fonctionne en mesurant le flux de lumière à travers une paire de tubes minuscules disposés avec précision, connus sous le nom de réseau photonique à jonction tunnel. "Le réseau de jonction tunnel photonique sensible à la pression se compose de canaux de guidage de la lumière où la pression externe modifie la luminosité de la lumière transmise à travers eux, " Park dit. "Ceci est similaire à la façon dont une vanne ou un robinet fonctionne à un nœud de répartition du débit."

Les tuyaux, ou guides d'ondes, fonctionnent parallèlement les uns aux autres et sont intégrés dans PDMS. Sur une partie de leur longueur, ils sont suffisamment proches pour que la lumière traversant le premier tube, canal 1, peut passer dans la seconde, canal 2. Lorsque la pression est appliquée, le PDMS est compressé, changer l'espacement entre les canaux et permettre à plus de lumière de se déplacer dans le canal 2. La pression provoque également une modification de l'indice de réfraction du PDMS, modifier la lumière.

La lumière pénètre dans l'appareil par une fibre optique à une extrémité et est collectée par une photodiode à l'autre. Au fur et à mesure que la pression augmente, plus de lumière s'écoule dans le canal 2 et moins dans le canal 1. La mesure de la luminosité de la lumière sortant de l'extrémité de chaque canal indique aux chercheurs la quantité de pression appliquée.

Bien que d'autres capteurs de pression optiques aient été développés, c'est le premier à intégrer la structure de détection dans le PDMS. Son encastrement le protège des contaminants.

Le mettre à l'épreuve

Pour tester l'appareil, les chercheurs ont placé un "bout de pression" sur le capteur et ont progressivement augmenté la pression. Dans un capteur de 5 mm de long noyé dans une feuille de PDMS de 50 µm d'épaisseur, les chercheurs ont mesuré un changement de puissance optique de 140 % à une pression d'environ 40 kilopascals (kPa). Cette démonstration de validation suggère que l'appareil est capable de détecter une pression aussi basse que 1 kPa, à peu près le même niveau de sensibilité qu'un doigt humain. La variation de la pression artérielle entre les battements cardiaques est d'environ 5 kPa.

Park dit que plusieurs étapes sont nécessaires pour faire passer le capteur d'une démonstration en laboratoire à un appareil pratique. L'une consiste à développer un moyen plus simple de fixer les fibres optiques qui déplacent la lumière dans et hors du capteur. En développant leur prototype, l'équipe de recherche a utilisé des outils d'alignement de précision, ce qui serait trop coûteux et long à utiliser dans la plupart des applications commerciales. Une approche alternative, connu sous le nom de fibres de queue de cochon, que les entreprises de télécommunications utilisent pour coupler des fibres dans leurs systèmes, devrait faciliter le processus.

En outre, l'équipe a testé son approche avec un capteur à une dimension, alors que la plupart des applications nécessiteraient un réseau de capteurs à 2 dimensions. Cela peut probablement être accompli en faisant pivoter une feuille unidimensionnelle de 90 degrés et en la plaçant au-dessus d'une autre, créer un tableau hachuré. La taille des capteurs et l'espacement entre eux devraient également être optimisés pour différentes applications.