Fortschritte bei optischen, mikronanofaserbasierten taktilen Sensoren und weichen Aktuatoren

Optische Mikro-/Nanofasern (MNF) sind eine perfekte Kombination aus Glasfaseroptik und Mikro-/Nanotechnologie und stellen eine in den letzten Jahren entwickelte neue Art von Mikro-/Nano-Wellenleiterstruktur dar.

Im Vergleich zu Standardfasern weist MNF einen kleineren Durchmesser und einen größeren Brechungsindexkontrast zwischen Kern und Mantel auf und bietet daher einzigartige optische Eigenschaften, darunter geringe Übertragungsverluste, starke Lichtfeldbeschränkung, großes evaneszentes Feld, kleiner Biegeradius, geringe Masse und Kompatibilität mit Standardfasern.

MNF-fähige flexible optoelektronische Geräte mit hoher Empfindlichkeit, geringer Größe und geringem Stromverbrauch werden häufig in den Bereichen taktile Sensoren und weiche Aktuatoren eingesetzt. Bisher wurden flexible MNF-Sensoren, auch als „optische Haut“ bekannt, verwendet, um Druck, Temperatur, Härte, Puls und Atmung mit hoher Empfindlichkeit, schneller Reaktion und Anti-elektromagnetischen Störungen zu überwachen.

Darüber hinaus bieten die MNF-fähigen Soft-Aktuatoren eine neue Strategie für Mikromanipulation und Mikrorobotik. MNFs verfügen über einzigartige Eigenschaften im Bereich der flexiblen Optoelektronik und bieten breite Anwendungsaussichten in den Bereichen Maschinenhaptik, Mensch-Computer-Interaktion, medizinische Überwachung und Mikro-Nano-Robotik.

A Rezension veröffentlicht in Optoelektronische Wissenschaft deckt zwei Teile von MNF-fähigen taktilen Sensoren und Aktoren ab. Zunächst wird das Herstellungsverfahren für MNF-taktile Sensoren unter den Gesichtspunkten Faserziehen, Polymerverpackung, Gerätevorbereitung und Systemintegration vorgestellt. Anschließend werden Strukturdesign, Sensormechanismus, Leistungsmerkmale und Anwendungsbereiche wie Fingerspitzen-/Radialpulsüberwachung, Datenhandschuhe, intelligente Armbänder, taktile Textilien und Industrie-/Medizinroboter vorgestellt.

Mechanistisch gesehen können MNF-fähige taktile Sensoren entsprechend ihrer Struktur in Kegeltyp (Einzelkegel), Doppelkegeltyp, Resonatortyp, Gittertyp, Interferometertyp und Mikrokopplertyp kategorisiert werden.

Das Sensorsignal wird hauptsächlich durch Wellenlängendemodulation und Intensitätsdemodulation extrahiert. Wellenlängendemodulation durch Verfolgung der Bewegung der Resonanzwellenlänge wird hauptsächlich in WGM-Resonatoren, FP-Resonatoren, Theta-Resonatoren, Sagnac-Resonatoren, Faser-Bragg-Gittern usw. verwendet.

Die Intensitätserkennung ist eine einfachere Erkennungsmethode, bei der miniaturisierte Halbleiterlichtquellen und Fotodioden verwendet werden, um die Änderung der MNF-Durchlässigkeit zu überwachen und so die Miniaturisierung eines Sensorsystems und eine effiziente Erfassung von Sensorsignalen zu erreichen.

Die MNF-fähigen Datenhandschuhe, Smart-Armbänder, Smart-Textilien, Näherungs- und taktilen zusammengesetzten interaktiven Multiparameter-Schnittstellen haben die systematische Integration von Lichtquelle, Fotodetektoren und MNF-Sensoren realisiert. Sie sind leicht, empfindlich, haben einen geringen Stromverbrauch und sind im Bereich der Mensch-Computer-Interaktion gegen elektromagnetische Störungen geschützt.

MNFs weisen außerdem eine hohe Nachgiebigkeit und ein starkes evaneszentes Feld auf, wodurch MNF-fähige Photoaktoren mit großer Winkelverformung stabil genug für das sichere Festklemmen kleiner Objekte sind.

Zusammenfassend gibt dieser Aufsatz einen Überblick über die neuesten Fortschritte und Höhepunkte der Forschung im Bereich MNF-fähiger taktiler Sensoren/Aktoren und blickt erwartungsvoll auf das große Anwendungspotenzial in den Bereichen verteilte Sensorik, weiche Aktoren mit der Fähigkeit zur komplexen Verformung und Erfassung sowie KI-gestützte Sensoren/Aktoren.