El MIT crea una lámina blanda que reconstruye su forma al doblarse

Ingenieros del MIT desarrollaron una lámina flexible que detecta su propia forma y la reconstruye en digital mientras se dobla y se tuerce.

En principio, el sensor se parece a algunas prendas de captura de movimiento, que siguen los movimientos de una persona para replicarlos en un avatar virtual. Esos diseños usan sensores rígidos cosidos al traje en puntos estratégicos.

El diseño nuevo del equipo usa varias fibras ópticas blandas que recorren en zigzag una lámina suave y elástica. Cuando la lámina se dobla, las fibras se doblan con ella y cambia el patrón de la luz que viaja por dentro. Los investigadores desarrollaron un algoritmo que interpreta esos patrones al vuelo y genera una imagen digital que se mueve igual que la lámina. También mostraron que el diseño resiste daños. Aunque se corten o desconecten algunas fibras, las que quedan siguen reconstruyendo con precisión la forma general.

"Nuestro montaje apunta a superficies sensoras totalmente blandas y elásticas, así que en potencia es más seguro para interactuar con una persona o con un entorno blando", dice Qifan Yu, estudiante de posgrado de ingeniería mecánica del MIT.

El equipo imagina que el diseño podría convertirse en una prenda blanda y flexible, cómoda de usar, para controlar físicamente a un personaje de videojuego o a un robot teleoperado. La lámina también podría servir en kinesiología, envuelta en la pierna o el brazo de un paciente para seguir y registrar su movilidad y su rango de movimiento en cada sesión.

"En kinesiología muchas veces hay que reunir datos de cómo el paciente mueve y estira el brazo durante la rehabilitación, por ejemplo", dice Yu. "Detectar la forma de una superficie podría ser muy útil para eso."

Yu y sus colegas presentan el diseño en un estudio publicado en la revista Advanced Intelligent Systems. Los coautores del MIT son la estudiante de posgrado Nina Cao y la profesora asistente de ingeniería mecánica Kaitlyn Becker.

La forma de la luz

El sensor es una variante de la fibra óptica común. Una fibra óptica, también llamada guía de onda, está pensada para conducir la luz de forma eficiente. Tiene un núcleo de material transparente, como vidrio, envuelto en un revestimiento oscuro y opaco. Cuando se envía luz por un extremo, el revestimiento la atrapa dentro del núcleo, que es extremadamente liso, y la luz atraviesa la fibra con una eficiencia casi perfecta. Las guías de onda se usan en los cables de fibra óptica para transmitir datos y en telecomunicaciones.

Los científicos también probaron las guías de onda como sensores de forma simples. Cuando la fibra se dobla, cambia cuánta luz logra llegar al otro extremo. Mientras más se dobla, menos luz sale. La cantidad de luz que sale sirve entonces como medida de cuánto se dobló la fibra. Así se han usado fibras ópticas para detectar curvaturas simples.

"Se han usado guías de onda para detectar la forma de una línea, y se aplicaron a un brazo robótico para ver cómo se curva", dice Yu. "Pero no se habían aplicado a detectar la forma de una superficie, a reconstruir la forma 3D de una superficie. Eso es lo que intentamos hacer acá."

Fibras de goma con un lado rugoso

Para el diseño nuevo, los investigadores fabricaron sus propias fibras ópticas, con algunos cambios. Igual que en las guías de onda convencionales, cada fibra tiene un núcleo transparente rodeado de un revestimiento oscuro. Pero en vez de vidrio usaron un núcleo de goma transparente y flexible, y un revestimiento del mismo material teñido de negro.

Además, en lugar de dejar el núcleo completamente liso, lo hicieron rugoso a propósito por un lado. Su razonamiento fue que, si un lado de la fibra es más rugoso que el otro, al doblarla hacia ese lado la luz se dispersa en la superficie rugosa y cambia la cantidad total que llega al otro extremo. Esa cantidad sería distinta a la que pasaría si la fibra se doblara en el mismo ángulo hacia el lado liso. Así, la fibra con medio lado rugoso funciona como un sensor de forma bidireccional.

El equipo fabricó varias de estas fibras bidireccionales y buscó cómo incrustarlas en una lámina blanda de silicona, ordenadas de manera que reconstruyeran la forma de la lámina al doblarse y torcerse. Para eso simularon láminas con distintos patrones de fibras, desde un tablero de ajedrez simple hasta disposiciones cruzadas y en zigzag.

Simularon distintas formas de doblar o torcer cada lámina y midieron la luz que salía de cada configuración. Convirtieron esas mediciones en estimaciones de cuánto se doblaba cada fibra y las combinaron para construir una forma 3D de la lámina completa, que compararon con la forma simulada original. Con esas simulaciones encontraron que un espaciado específico de fibras en zigzag era el que mejor recreaba la forma original.

¿Qué tan precisa es?

Después fabricaron una lámina sensora con ese mismo patrón en zigzag. Pusieron un LED en un extremo de cada fibra y un sensor de luz en el otro, conectados a una placa de circuito externa que recoge y amplifica las mediciones. También desarrollaron un algoritmo que convierte de forma automática las mediciones de las fibras en una reconstrucción 3D de la lámina completa.

En los experimentos, el algoritmo generó una reconstrucción virtual fluida de la lámina, casi en tiempo real, mientras los investigadores la torcían en distintas formas. Cuando doblaron la lámina en diagonal y luego en la dirección opuesta, el gemelo virtual imitó esos cambios casi en tiempo real.

También pusieron la lámina sobre distintos moldes impresos en 3D para medir con precisión la diferencia entre la lámina reconstruida en digital y la lámina física apoyada en cada molde. En esas pruebas, la lámina blanda resultó más precisa que otros diseños.

"Usamos una métrica que describe la distancia entre la superficie real y la superficie reconstruida, y con eso encontramos que nuestro error era menor a 0,4 centímetros", dice Yu. "Los diseños existentes, basados en sensores rígidos, tienen errores de alrededor de 1 a 2 centímetros. Así que es respetable, y al menos está a la par con las tecnologías existentes."

Lo que sigue

El equipo seguirá optimizando la lámina, primero haciéndola más delgada. Hoy las fibras ópticas miden 1 milímetro de grosor. Otros procesos de fabricación podrían bajarlas a decenas de micrómetros, menos que el grosor de un pelo. Con eso, los investigadores imaginan incrustar muchas más fibras en una prenda para detectar cambios finos en su forma, por ejemplo para evaluar el desempeño de un paciente en kinesiología.

"Esperamos construir herramientas que amplíen lo que puede hacer un kinesiólogo y lo ayuden a seguir y cuantificar el progreso de sus pacientes en el tiempo", dice Becker. "Estas láminas sensoras podrían ayudar a un kinesiólogo a recordar y comparar con más precisión cómo salió una evaluación hoy frente a otra de hace dos meses y cientos de sesiones."

La investigación contó en parte con apoyo de MathWorks.