Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) создали гибкий лист, который способен определять собственную форму при сгибании и скручивании. Устройство самостоятельно преобразует изменения поверхности в цифровую трёхмерную модель. Разработку можно применять в носимой электронике, управлении роботами и физической терапии.
Основой системы стали мягкие оптические волокна, проложенные внутри растягивающегося листа зигзагообразно. При деформации листа волокна изгибаются вместе с ним, из-за чего меняется характер прохождения света. Алгоритм анализирует эти изменения практически в реальном времени и формирует виртуальную копию поверхности.
В отличие от костюмов для захвата движений, где используются жёсткие датчики, в новой конструкции применены полностью мягкие элементы. «Наша система ориентирована на полностью мягкие и растягивающиеся сенсорные поверхности, поэтому потенциально она безопаснее при взаимодействии с человеком или мягкой средой», — сказал аспирант кафедры машиностроения MIT Кифань Ю. Даже при повреждении или отключении нескольких волокон оставшиеся элементы позволяют достаточно точно восстановить общую форму листа.
Для изготовления волокон исследователи использовали прозрачный гибкий резиновый сердечник и чёрную оболочку из того же материала. Одну сторону каждого волокна намеренно сделали шероховатой: при изгибе в одну сторону свет рассеивается сильнее, чем при изгибе в другую. Благодаря этому волокно может фиксировать направление деформации, а не только её величину.
Учёные проверили разные схемы размещения волокон с помощью компьютерного моделирования и выбрали зигзагообразную конфигурацию, которая лучше всего воспроизводила исходную форму листа. В экспериментальном образце на одном конце каждого волокна установили светодиод, а на другом — датчик света, подключённый к внешней плате. Погрешность восстановления поверхности оказалась меньше 0,4 сантиметра, тогда как конструкции с жёсткими датчиками обычно дают ошибку около 1–2 сантиметров.
Разработчики представили результаты в журнале Advanced Intelligent Systems; соавторами работы стали аспирантка MIT Нина Цао и доцент кафедры машиностроения Кейтлин Беккер. В будущем команда планирует уменьшить толщину волокон с нынешнего 1 миллиметра до десятков микрометров и встроить их в одежду. Такой костюм сможет помогать управлять персонажем видеоигры или телеуправляемым роботом, а также фиксировать движения конечностей пациента во время реабилитации. «Мы надеемся создать инструменты, которые расширят возможности физиотерапевтов и помогут отслеживать и количественно оценивать прогресс пациентов с течением времени», — сказала Беккер. Исследование частично поддержала компания MathWorks.