นักวิจัย MIT พัฒนาตัวตรวจจับแบบยืดหยุ่น สามารถสร้างรูปทรงสามมิติซ้ำได้ในระหว่างการเปลี่ยนรูป

นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ได้พัฒนาตัวตรวจจับแบบยืดหยุ่นที่สามารถสร้างรูปทรงสามมิติของตัวเองซ้ำได้ในระหว่างการงอ โค้ง และบิด เทคโนโลยีนี้ช่วยให้สามารถควบคุมหุ่นยนต์จากระยะไกล สร้างชุดตรวจจับการเคลื่อนไหว และวัดความก้าวหน้าของผู้ป่วยในกระบวนการฟื้นฟูร่างกายได้ ระบบดังกล่าวฝังเส้นใยแสงที่ยืดหยุ่นได้ลงในซิลิโคน โดยใช้การเปลี่ยนแปลงของแสงที่ส่งผ่านเพื่อติดตามการเปลี่ยนรูปของผิวหน้า จากนั้นซอฟต์แวร์จะแปลงผลการวัดเหล่านี้เป็นการสร้างรูปทรงดิจิทัล ซึ่งติดตามการเคลื่อนไหวของวัสดุได้เกือบแบบเรียลไทม์ ต่างจากระบบจับการเคลื่อนไหวที่พึ่งพาตัวตรวจจับแข็งตัวที่ติดอยู่บนเสื้อผ้า การออกแบบนี้ใช้ส่วนประกอบแบบยืดหยุ่นบนพื้นผิวตรวจจับ และแม้เส้นใยจะเสียหาย ก็ไม่สูญเสียความสามารถในการสร้างรูปทรงโดยรวมซ้ำได้

นักวิจัยผลิตเส้นใยแสงโดยใช้แกนกลางจากยางยืดหยุ่น และหุ้มด้วยชั้นเคลือบยางสีดำ พวกเขาเจือจงทำให้ด้านหนึ่งของแกนกลางแต่ละเส้นเป็นขรุขระ เพื่อให้ตอบสนองต่อการงอได้ชัดเจนขึ้น เมื่อเส้นใยแสงงอ แสงบางส่วนจะเบี่ยงเบนจากเส้นทาง ผิวที่ขรุขระทำให้ผลกระทบนี้ไวต่อทิศทางการงอมากขึ้น ทำให้นักวิจัยสามารถประเมินความโค้งของแต่ละเส้นใยได้โดยการวัดแสงที่ปลดปล่อยจากพอร์ตตรงข้าม แม้เส้นใยแสงเดี่ยวจะตรวจจับความโค้งตามเส้นตรงได้ แต่การสร้างรูปทรงผิวทั้งหมดซ้ำเป็นความท้าทายที่ใหญ่กว่า ทีม MIT แก้ปัญหานี้โดยการฝังเส้นใยแสงหลายเส้นลงในแผ่นซิลิโคนที่ยืดหยุ่นได้

การออกแบบเส้นใยแสงและการวัดความโค้ง

การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ช่วยให้นักวิจัยเปรียบเทียบการจัดเรียงเส้นใยแสงที่แตกต่างกัน รวมถึงรูปแบบตารางหมากรุกและรูปแบบสายฟ้า (zigzag) การจัดวางแบบสายฟ้าหนึ่งรูปแบบเฉพาะได้รับการพิสูจน์ว่ามีประสิทธิภาพสูงสุดในการจับการเปลี่ยนแปลงที่ซับซ้อนของรูปทรงแผ่นบาง

นักวิจัยใช้การจัดเรียงดังกล่าวผลิตแผ่นบางจริง โคมไฟ LED ส่งแสงผ่านเส้นใยแสง และเซ็นเซอร์ที่พอร์ตตรงข้ามวัดแสงที่ออกมา บอร์ดวงจรภายนอกเก็บรวบรวมและขยายค่าอ่านเหล่านี้ อัลกอริทึมหนึ่งแปลงผลการวัดเหล่านี้เป็นการแสดงผลสามมิติของแผ่น ในขั้นตอนสาธิต นักวิจัยพับวัสดุแบบเฉียงมุม ตัวแทนดิจิทัลเปลี่ยนแปลงตามรูปทรงเรขาคณิต พวกเขายังวางแผ่นบนแม่พิมพ์พิมพ์ 3D ที่มีรูปทรงแม่นยำ เพื่อประเมินความแม่นยำ ตามที่ Qifan Yu นักศึกษาบัณฑิตศึกษาวิศวกรรมเครื่องกล MIT กล่าว ผิวที่สร้างซ้ำมีความคลาดเคลื่อนน้อยกว่า 0.4 เซนติเมตร

Yu กล่าวว่า ระบบที่คล้ายกันซึ่งใช้ตัวตรวจจับแข็งตัวมักให้ความคลาดเคลื่อนประมาณ 1 ถึง 2 เซนติเมตร ทีมยังสาธิตว่า แม้เส้นใยบางเส้นถูกตัดหรือขาด แผ่นยังคงสามารถสร้างรูปทรงโดยรวมซ้ำได้

ศักยภาพในการประยุกต์ใช้กับการบำบัดทางกายภาพ

นักวิจัยจินตนาการถึงชุดเสื้อผ้าที่ช่วยให้ผู้ใช้ควบคุมตัวละครในเกมวิดีโอ หรือปฏิบัติการหุ่นยนต์จากระยะไกลได้ เทคโนโลยีนี้ยังสามารถช่วยนักกายภาพบำบัดวัดความสามารถในการเคลื่อนไหวของผู้ป่วยในระหว่างการฟื้นฟูได้ นักกายภาพบำบัดสามารถพันวัสดุรอบแขนหรือขาของผู้ป่วย เพื่อบันทึกการเคลื่อนไหวและช่วงการเคลื่อนไหว การวัดซ้ำๆ ช่วยให้แพทย์ทางคลินิกเปรียบเทียบความสามารถในการเคลื่อนไหวในเซสชันต่างๆ และประเมินสภาพการฟื้นฟูได้ Kaitlyn Becker ผู้ร่วมเขียน อาจารย์ประจำวิศวกรรมเครื่องกล MIT กล่าวว่า เทคโนโลยีนี้สามารถช่วยให้นักบำบัดเปรียบเทียบการประเมินผู้ป่วยตามเวลาได้

แผนปรับปรุงในอนาคต

ทีมวางแผนที่จะทำให้เส้นใยบางลงในปัจจุบัน เส้นใยของพวกเขาประมาณ 1 มิลลิเมตร แต่วิธีการผลิตที่ปรับปรุงแล้วอาจลดความหนาให้เหลือเพียงหลายสิบไมโครเมตร เส้นใยที่บางกว่าจะช่วยให้นักวิจัยฝังส่วนประกอบตรวจจับได้มากขึ้นในเสื้อผ้า ซึ่งอาจจับรายละเอียดการเคลื่อนไหวของร่างกายที่ละเอียดขึ้นได้

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร "Advanced Intelligent Systems"

ศักยภาพการประยุกต์ใช้และความท้าทายของตัวตรวจจับแบบยืดหยุ่น

การพัฒนาเทคโนโลยีนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของตัวตรวจจับแบบยืดหยุ่นในหลากหลายการประยุกต์ใช้ โดยเฉพาะในด้านการควบคุมจากระยะไกลและการฟื้นฟูร่างกาย ด้วยความสามารถของตัวตรวจจับในการสร้างรูปทรงสามมิติซ้ำได้อย่างแม่นยำในระหว่างการเปลี่ยนรูป สิ่งนี้ไม่เพียงแต่เพิ่มความแม่นยำในการจับการเคลื่อนไหว แต่ยังช่วยให้บุคลากรทางการแพทย์ติดตามความก้าวหน้าการฟื้นฟูของผู้ป่วยได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ในอนาคต ด้วยการปรับปรุงเทคโนโลยีเส้นใยแสงต่อไป ตัวตรวจจับเหล่านี้มี望จะเล่นบทบาทสำคัญในการประยุกต์ใช้ที่กว้างขึ้น โดยเฉพาะในสถานการณ์ที่ต้องการการติดตามการเคลื่อนไหวด้วยความแม่นยำสูง