Инженеры Массачусетского технологического института разработали гибкий лист, способный определять собственную форму при сгибании и скручивании и почти в реальном времени создавать её цифровую копию. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Intelligent Systems, сообщает сайт MIT.
В основу устройства положены мягкие оптические волокна, проложенные внутри эластичного силиконового листа зигзагообразно. При деформации листа волокна изгибаются вместе с ним, из-за чего меняется проходящий по ним свет. Специальный алгоритм анализирует эти изменения и восстанавливает общую трёхмерную форму поверхности.
Исследователи изготовили волокна из прозрачного гибкого каучукового сердечника и чёрной оболочки из похожего материала. Одну сторону каждого волокна намеренно сделали шероховатой: при изгибе в разные стороны свет рассеивается по-разному, что позволяет определить направление и степень деформации. Для выбора оптимальной схемы размещения волокон команда сравнила несколько вариантов, включая сетку и перекрёстные узоры.
В готовый лист встроили светодиоды, датчики света и внешнюю электронную плату, которая собирает и усиливает сигналы. Во время испытаний виртуальная модель точно повторяла изменения формы листа, в том числе при последовательном сгибании по диагонали в противоположных направлениях. Проверка на формах, напечатанных на 3D-принтере, показала среднюю ошибку менее 0,4 сантиметра, тогда как конструкции с жёсткими датчиками обычно ошибаются на 1–2 сантиметра.
«Наша система ориентирована на полностью мягкие и растягиваемые сенсорные поверхности, поэтому она потенциально безопаснее при взаимодействии с человеком или мягкой средой», — сказал аспирант кафедры машиностроения MIT Кифань Ю. По его словам, подобные поверхности могут пригодиться в реабилитации для отслеживания движений рук и ног пациентов. Учёные также рассматривают их применение в носимой одежде для управления персонажем видеоигры или дистанционно управляемым роботом.
В дальнейшем исследователи намерены уменьшить толщину волокон с нынешнего 1 миллиметра до десятков микрометров, то есть сделать их тоньше человеческого волоса. Затем в одежду планируют встроить больше волокон, чтобы фиксировать более мелкие изменения формы и оценивать прогресс пациентов во время физиотерапии. В работе участвовали Нина Цао и доцент MIT Кейтлин Беккер, а поддержку исследованию частично оказала компания MathWorks.