ساخت پوست هوشمند حساس به حرکت و لمس با فیبر نوری

مهندسان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) پوست هوشمند نرم و پوشیدنی جدیدی ساخته‌اند که با فیبر نوری می‌تواند حرکات سه‌بعدی، خم شدن، پیچ خوردن و لمس را با خطای کمتر از نیم سانتی‌متر تشخیص دهد.

سرویس فناوری تک‌ناکاین فناوری می‌تواند در بازی‌های ویدیویی، واقعیت مجازی، فیزیوتراپی و کنترل ربات‌ها کاربرد داشته باشد.

پژوهشگران MIT این فناوری را به شکل صفحه‌ای انعطاف‌پذیر طراحی کرده‌اند که بدون نیاز به حسگرهای سخت، تغییرات شکل خود را در فضای سه‌بعدی شناسایی می‌کند. برخلاف فناوری‌های متداول، این حسگر حتی در صورت آسیب دیدن تعدادی از فیبرهای نوری نیز می‌تواند عملکرد خود را حفظ کند.

چیفان یو، دانشجوی مهندسی مکانیک MIT و یکی از اعضای تیم تحقیقاتی اعلام کرد که میزان خطای حسگرهای سخت معمولا بین یک تا دو سانتی‌متر است. در مقابل، نمونه جدید در آزمایش‌های انجام‌شده توانسته است شکل سطوح مختلف را با خطایی کمتر از نیم سانتی‌متر بازسازی کند.

جزئیات این دستاورد در مقاله‌ای با عنوان «به‌سوی حسگری کاملا نرم و چندمنظوره برای تشخیص شکل با استفاده از آرایه‌های موج‌بر نوری» در مجله علمی Advanced Intelligent Systems منتشر شده است.

بیشتر بخوانیدساخت پوست مصنوعی هوشمند تغییرشکل‌پذیر با قابلیت رمزگذاری

عملکرد پوست هوشمند فیبر نوری MIT

فناوری جدید MIT از مجموعه‌ای از فیبرهای نوری انعطاف‌پذیر استفاده می‌کند که در ساختاری مشخص کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. این فیبرها به تغییر شکل و خم شدن در هر دو جهت واکنش نشان می‌دهند و اطلاعات لازم را برای بازسازی شکل سه‌بعدی صفحه فراهم می‌کنند.

پژوهشگران با تحلیل هم‌زمان اطلاعات دریافت‌شده از موج‌برهای نوری می‌توانند وضعیت سطح را هنگام تغییر شکل تشخیص دهند. این روش نیاز به تعداد زیادی حسگر مستقل را کاهش می‌دهد و مقاومت سیستم را در برابر آسیب افزایش می‌دهد.

یکی از ویژگی‌های مهم فناوری جدید، ادامه فعالیت آن پس از قطع شدن تعدادی از فیبرها است. تیم تحقیقاتی برای بررسی این قابلیت، آزمایش‌هایی را با غیرفعال کردن چند موج‌بر نوری انجام داد.

نتایج شبیه‌سازی نشان داد که از مجموع ۱۴ موج‌بر نوری، حتی با غیرفعال شدن سه موج‌بر، خطای بازسازی شکل همچنان کمتر از ۰٫۳ سانتی‌متر باقی می‌ماند. با افزایش تعداد موج‌برهای غیرفعال به پنج عدد یا بیشتر، میزان خطا به حدود یک سانتی‌متر یا بالاتر می‌رسد.

بیشتر بخوانیدپچ هوشمند پوستی ریتم مرگبار قلب را با دقت 99.6 درصد شناسایی کرد

مهندسان MIT پس از بررسی نتایج شبیه‌سازی، نمونه واقعی این صفحه را ساختند و عملکرد آن را هنگام تاخوردن مورب آزمایش کردند. آنها برای سنجش دقت، صفحه را روی سه قالب چاپ سه‌بعدی با شکل‌های ازپیش‌تعیین‌شده قرار دادند.

سپس پژوهشگران سطح بازسازی‌شده توسط سیستم را با شکل واقعی قالب‌ها مقایسه کردند. میزان خطا برای سه قالب به‌ترتیب ۰٫۳۷، ۰٫۲۸ و ۰٫۴۵ سانتی‌متر ثبت شد. این اعداد نشان می‌دهند که حسگر جدید در هر سه آزمایش توانسته است شکل سطح را با دقتی بهتر از نیم سانتی‌متر تشخیص دهد.

این فناوری علاوه بر تغییر شکل، نسبت به فشار خارجی نیز حساس است. پژوهشگران در یکی از آزمایش‌های مرتبط با فیزیوتراپی نشان دادند که صفحه می‌تواند فشار واردشده به ساعد انسان را تشخیص دهد.

با وجود این‌، سیستم فعلی هنوز قادر نیست مقدار دقیق نیروی واردشده را به‌ صورت کالیبره‌شده اندازه‌گیری کند. همچنین قابلیت تشخیص فشار و بازسازی شکل در دو حالت جداگانه فعالیت می‌کنند و امکان استفاده هم‌زمان از آنها هنوز فراهم نشده است.

آزمایش‌های پوشیدنی نیز محدودیت‌هایی داشته‌اند. هر آزمایش روی بدن یکی از نویسندگان پژوهش انجام شده و برای محاسبه زاویه مچ دست و آرنج از روش ساده‌تری استفاده شده است. کشیده‌شدن صفحه در این مفاصل می‌تواند دقت الگوریتم بازسازی شکل را کاهش دهد.

کاربرد در واقعیت مجازی، فیزیوتراپی و رباتیک

پژوهشگران MIT معتقد هستند که انعطاف‌پذیری این فناوری می‌تواند زمینه توسعه ابزارهای پوشیدنی ایمن‌تر را فراهم کند. استفاده از ساختار کاملا نرم، احتمال بروز مشکلات ناشی از تماس حسگرهای سخت با بدن انسان را کاهش می‌دهد.

کیتلین بکر، استادیار مهندسی مکانیک MIT و یکی از نویسندگان مقاله اعلام کرد که تیم تحقیقاتی امیدوار است از این فناوری برای کمک به فیزیوتراپیست‌ها استفاده کند.

چنین ابزارهایی می‌توانند حرکات بیماران را در جلسات درمانی ثبت کنند و امکان مقایسه دقیق‌تر وضعیت آنها را در طول زمان فراهم آورند. فیزیوتراپیست‌ها نیز می‌توانند با استفاده از اطلاعات ثبت‌شده، روند پیشرفت بیماران را به‌ صورت کمی ارزیابی کنند.

کاربرد احتمالی دیگر این فناوری در صنعت بازی و واقعیت مجازی است. پوست هوشمند می‌تواند حرکات فیزیکی کاربران را تشخیص دهد و اطلاعات مربوط به آنها را برای بازسازی حرکت در محیط‌های مجازی فراهم کند.

همچنین پژوهشگران استفاده از این فناوری را برای کنترل ربات‌ها از راه دور و توسعه ربات‌های نرم پیشنهاد کرده‌اند. چنین کاربردهایی می‌توانند از قابلیت تشخیص تغییر شکل بدون استفاده از اجزای حسگر سخت بهره ببرند.

با وجود نتایج امیدوارکننده، نمونه فعلی هنوز برای تولید لباس‌های هوشمند آماده نیست. یکی از موانع اصلی پوست هوشمند MIT، ضخامت فیبر نوری است که اکنون به حدود یک میلی‌متر می‌رسد.

تیم MIT قصد دارد ضخامت این فیبرها را به چند ده میکرومتر کاهش دهد. چنین ابعادی حتی از ضخامت موی انسان کمتر است و امکان قرارگیری تعداد بیشتری فیبر در پارچه‌های پوشیدنی را فراهم می‌کند.

افزایش تعداد فیبرها می‌تواند جزئیات بیشتری از حرکات بدن ثبت کند. همچنین پژوهشگران توسعه الگوریتم‌های سریع‌تر، افزایش لایه‌های موج‌بر نوری و استفاده از قطعات الکترونیکی کشسان را برای نسل‌های آینده این فناوری در نظر دارند.

هدف دیگر آنها ساخت صفحه‌ای است که بتواند فشار و تغییر شکل را به‌طور هم‌زمان تشخیص دهد. تحقق این اهداف می‌تواند مسیر استفاده گسترده‌تر از حسگرهای نرم در لباس‌های هوشمند، توان‌بخشی و سیستم‌های رباتیک را هموار کند.

بیشتر بخوانیدوقتی ربات درد می‌ کشد؛ جهش تازه چین در توسعه پوست هوشمند رباتیک

نوشتهساخت پوست هوشمند حساس به حرکت و لمس با فیبر نوریاولین بار درTechnoc. پدیدار شد.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.