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Un sensore in fibra ottica capace di capire quale forma sta assumendo mentre viene piegato, attorcigliato o premuto, e senza alcuna telecamera puntata addosso. È il risultato ottenuto dai ricercatori del MIT, il Massachusetts Institute of Technology, che hanno sviluppato una superficie flessibile basata su guide d’onda ottiche in grado di leggere le proprie deformazioni.
Il funzionamento parte da un’idea piuttosto semplice. Ogni piegatura fisica viene trasformata in dati che il computer utilizza per ricostruire un modello tridimensionale della superficie. Le possibili applicazioni sono parecchie e vanno dalla robotica morbida alla realtà virtuale, fino all’ambito medico e in particolare alla riabilitazione. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Advanced Intelligent Systems e propone un approccio che mette insieme rilevamento ottico e materiali deformabili.
Come funziona il sensore ottico flessibile del MIT
Dietro il progetto ci sono Qifan Yu, Nina Cao e Kaitlyn Becker. Il principio consiste nell’inserire le guide d’onda ottiche all’interno di una superficie morbida, sfruttando il comportamento della luce per misurare quanto e come il materiale si deforma. Il nucleo trasparente è fatto di un materiale flessibile simile alla gomma ed è avvolto da uno strato esterno nero. Un LED illumina una delle estremità della guida mentre un rilevatore, dalla parte opposta, registra la luce che riesce ad arrivare.
Quando la superficie si piega cambia il percorso della luce al suo interno e quindi varia anche la quantità che raggiunge il rilevatore. C’è poi un accorgimento progettuale piuttosto furbo. Una delle facce del nucleo presenta piccole irregolarità mentre l’altra resta più liscia, e questa differenza nella perdita di luce permette di distinguere la direzione della curvatura oltre a stimarne l’intensità.
Il prototipo misura 160 per 160 millimetri con uno spessore di appena 5 millimetri. All’interno trovano posto quattordici guide lunghe 160 millimetri ciascuna, sistemate su due livelli con una disposizione a zigzag. Un circuito esterno raccoglie i segnali e un algoritmo li elabora per ricostruire la geometria complessiva. L’elettronica è concentrata lungo il perimetro, così la gran parte della superficie sensibile rimane morbida.
Precisione, limiti e possibili applicazioni future
Nelle prove sperimentali la ricostruzione tridimensionale ha seguito il sollevamento di angoli e bordi aggiornandosi in media tre volte al secondo. Per verificarne l’accuratezza il gruppo ha usato stampi realizzati con la stampa 3D che mantenevano il foglio in configurazioni prestabilite, misurando errori quadratici medi di 3,7, 2,8 e 4,5 millimetri a seconda della forma analizzata.
Un dettaglio interessante riguarda la disposizione delle guide, che si è rivelata decisiva. Orientarle in diagonale per intercettare curvature provenienti da direzioni diverse ha migliorato il risultato più di quanto avrebbe fatto aumentarne semplicemente il numero. Il dispositivo però fa ancora fatica con i dettagli più piccoli quando la superficie subisce deformazioni complesse e molto localizzate.
Tra gli aspetti più promettenti c’è la tolleranza ai danni. Le simulazioni indicano che anche con tre guide compromesse l’errore può restare sotto i 3 millimetri, mentre se gli elementi danneggiati aumentano la precisione peggiora in modo sensibile. Il rilevatore è riuscito inoltre a individuare il punto in cui veniva premuto ma non a misurare con esattezza la forza applicata, perché il dato dipende anche dalla morbidezza della superficie su cui il foglio è appoggiato.
Per trasformare il prototipo in uno strumento davvero utilizzabile servono ancora passi avanti su velocità di elaborazione, spessore ed estensibilità dell’insieme. Il cablaggio attuale infatti non si allunga quanto il materiale sensibile. Il gruppo punta a integrare circuiti deformabili e sensori tattili complementari per ottenere informazioni più complete sui movimenti e sulle forze esterne. Nel campo della riabilitazione questi dati potrebbero aiutare i fisioterapisti a documentare i progressi dei pazienti e a confrontare l’evoluzione dei loro movimenti nel tempo.
Fonte: TecnoAndroid