- Von MIT-Forschenden entwickelter flexibler Sensor kann 3D-Form während Verformung rekonstruieren.
- Technologie unterstützt Fernsteuerung von Robotern und Bewegungstracking-Kleidung.
- Selbst bei beschädigten Fasern rekonstruiert Sensor Gesamtform, Fehler unter 0,4 Zentimeter.
- Zukünftig sollen Lichtfasern dünner werden, um feinere Körperbewegungsdetails zu erfassen.
Forschende des MIT haben einen flexiblen Sensor entwickelt, der seine dreidimensionale Form während des Biegens, Faltens und Verdrehens rekonstruieren kann. Die Technologie unterstützt die Fernsteuerung von Robotern, die Herstellung von Bewegungstracking-Kleidung und die Messung von Patientenfortschritten in der physikalischen Rehabilitation. Das System bettet flexible Lichtfasern in Silikon ein und nutzt Veränderungen des übertragenen Lichts, um Oberflächenverformungen zu verfolgen. Anschließend wandelt Software diese Messwerte in eine digitale Rekonstruktion um, die der Materialbewegung nahezu in Echtzeit folgt. Im Gegensatz zu Motion-Capture-Systemen, die auf an Kleidung befestigten starren Sensoren basieren, verwendet dieses Design flexible Elemente in seiner Sensoroberfläche und behält die Fähigkeit zur Rekonstruktion der Gesamtform auch bei beschädigten Fasern bei.
Die Forschenden fertigten Lichtfasern mit einem flexiblen Gummikern an, der von einer schwarzen Gummiummantelung umgeben ist. Sie rauten absichtlich eine Seite jedes Kerns auf, um dessen Reaktion auf Biegung deutlicher zu machen. Wenn sich die Lichtfaser biegt, weicht ein Teil des Lichts von seinem Pfad ab. Die raue Oberfläche macht diesen Effekt empfindlicher für die Biegerichtung, sodass die Forschenden die Krümmung jeder Faser durch Messen des aus dem gegenüberliegenden Port austretenden Lichts abschätzen können. Zwar kann eine einzelne Lichtfaser die Krümmung entlang einer Linie erfassen, doch die Rekonstruktion der gesamten Oberfläche stellt eine größere Herausforderung dar. Das MIT-Team löste dieses Problem, indem es mehrere Lichtfasern in ein dehnbares Silikonblatt einbettete.
Lichtfaser-Design und Krümmungsmessung
Computersimulationen halfen den Forschenden, verschiedene Lichtfaseranordnungen zu vergleichen, darunter Schachbrett- und Zickzackmuster. Eine bestimmte Zickzack-Konfiguration erwies sich als am effektivsten, um komplexe Formveränderungen des Blatts zu erfassen.
Die Forschenden nutzten diese Anordnung, um ein physisches Blatt herzustellen. LEDs senden Licht durch die Lichtfasern, Sensoren an den gegenüberliegenden Ports messen den Output. Eine externe Platine sammelt und verstärkt diese Messwerte. Ein Algorithmus wandelt diese Messungen in eine dreidimensionale Darstellung des Blatts um. In einer Demonstration falteten die Forschenden das Material diagonal, wobei das digitale Gegenstück der geometrischen Veränderung folgte. Sie legten das Blatt auch auf einen präzise geformten 3D-gedruckten Formkörper, um die Genauigkeit zu bewerten. Laut Qifan Yu, Doktorand im Maschinenbau am MIT, liegt der Fehler der rekonstruierten Oberfläche unter 0,4 Zentimeter.
Yu zufolge erzeugen ähnliche Systeme mit starren Sensoren üblicherweise Fehler von etwa 1 bis 2 Zentimeter. Das Team zeigte zudem, dass das Blatt seine Gesamtform auch dann noch rekonstruieren kann, wenn einige Fasern durchtrennt oder unterbrochen sind.
Potenzial für die Physiotherapie
Die Forschenden stellen sich ein Kleidungsstück vor, das Nutzern ermöglicht, Videospielcharaktere zu steuern oder Roboter fernzubedienen. Die Technologie kann auch Physiotherapeutinnen und -therapeuten helfen, die Mobilität von Patienten während der Rehabilitation zu messen. Therapeutinnen und Therapeuten können das Material um den Arm oder das Bein des Patienten wickeln, um Bewegung und Bewegungsumfang aufzuzeichnen. Wiederholte Messungen können Klinikerinnen und Kliniker dabei unterstützen, die Mobilität über verschiedene Sitzungen hinweg zu vergleichen und den Genesungsverlauf zu beurteilen. Koautorin Kaitlyn Becker, Assistenzprofessorin für Maschinenbau am MIT, sagt, die Technologie könne Therapeutinnen und Therapeuten helfen, Patientenbewertungen im Zeitverlauf zu vergleichen.
Zukünftige Verbesserungspläne
Das Team plant derzeit, die Fasern dünner zu machen. Die aktuellen Fasern sind etwa 1 Millimeter dick, doch verbesserte Fertigungsmethoden könnten ihre Dicke auf wenige Dutzend Mikrometer reduzieren. Dünnere Fasern würden es den Forschenden ermöglichen, mehr Sensorelemente in Kleidung einzubetten und potenziell feinere Details der Körperbewegung zu erfassen.
Die Studie wurde im Journal „Advanced Intelligent Systems“ veröffentlicht.
Anwendungspotenzial und Herausforderungen flexibler Sensoren
Die Entwicklung dieser Technologie zeigt das Potenzial flexibler Sensoren in verschiedenen Anwendungen, insbesondere in den Bereichen Fernsteuerung und physikalische Rehabilitation. Da die Sensoren in der Lage sind, während der Verformung die dreidimensionale Form präzise zu rekonstruieren, verbessert dies nicht nur die Genauigkeit der Bewegungserfassung, sondern hilft auch medizinischem Fachpersonal, den Rehabilitationsfortschritt von Patienten effektiver zu überwachen. In Zukunft, mit weiteren Verbesserungen der Lichtfasertechnologie, dürften diese Sensoren in breiteren Anwendungen eine wichtige Rolle spielen, insbesondere dort, wo hochpräzises Bewegungstracking erforderlich ist.