Гибкий и растягиваемый волновод на основе нанорешетки для тактильного восприятия

Введение

Оптический волновод - это структура, которая направляет передачу световой волны [1,2,3,4]. Обычные жесткие оптические волноводы не могут соответствовать требованиям гибкой электроники и мягкой робототехники [5,6,7]. Гибкие и растягиваемые устройства будут важной частью роботизированной системы тактильного зондирования, которая может реализовать восприятие взаимодействия человека и машины, и обладает высокой степенью гибкости, растяжимости, адаптируемости, чувствительности, биосовместимости и невосприимчивости к электромагнитным помехам [8, 9,10,11,12]. Wang et al. изготовлены гибкие биоинспирированные датчики давления на основе биокомпозитной пленки Ti3C2 / MC с чувствительностью к давлению 24,63 кПа ⁻¹ , а шелковая пленка Fibroin-MXene также использовалась в качестве датчика давления с биосовместимостью и высокой производительностью [13, 14]. Ран и др. изготовили гибкую биомиметическую систему усиления инфракрасного (ИК) обнаружения для высококонтрастной визуализации инфракрасного света, а пиковая светочувствительность может достигать 7,6 × 10 ⁴ при длине волны 1342 нм [15]. Гибкий и растягиваемый оптический волновод на основе структуры с нанорешетками может быть превращен в тактильные сенсорные устройства с гибкостью и растяжимостью, и он имеет широкое применение в области носимой электроники и робототехники. Ли и др. изготовили гибкий волновод на основе изгибаемого халькогенидного стекла, и теория множества нейронных осей была использована для оптимизации распределения деформации [16]. Кроме того, стеклянный волновод был спроектирован в форме змеевика с растяжимостью, равной 42% деформации при растяжении. Помимо новых гибких оптических материалов, для изготовления гибких и растягиваемых волноводов использовались многие современные технологии изготовления [17, 18]. Samusjew et al. изготовили фотополимеризационный гибкий и растягиваемый оптический волновод с помощью струйной печати, и волновод имел растяжимость 120% [19]. Для достижения гибкости и растяжимости оптических волноводных устройств на основе структур с нанорешетками необходимы новые мягкие материалы с оптической прозрачностью в качестве краеугольных камней. В настоящее время постоянно разрабатываются новые материалы, используемые для изготовления гибких и растягиваемых устройств восприятия фотонов [11, 20]. У них есть несколько общих характеристик, включая прозрачность, гибкость и растяжимость. Эти новые оптические мягкие материалы можно разделить на следующие категории:эластомеры, коллоидные кристаллы, гидрогели и синтетические опалы [21,22,23]. С постепенным развитием гибких и растягиваемых оптических волноводов на основе гибких оптических материалов и технологий микро- / нанопроизводства, применение гибких и растягиваемых оптических волноводов в тактильном восприятии, носимой электронике и личной диагностике здоровья постепенно расширяется. Андреас и др. использовали полистирол в качестве покрывающего слоя и фторированный полимер в качестве передающего слоя для изготовления сверхвысокой растяжимости и упругопластичности оптических волноводных датчиков, предел прочности которых может превышать 300% [24]. Александр и др. использовали голографическую технологию и метод УФ-отверждения для изготовления гибкой дифракционной решетки света на материале PDMS, смешанном со светочувствительными молекулами бензофенона [25]. Хотя многие исследователи внедрили гибкий или растягиваемый оптический волновод, исследований гибкого и растягиваемого оптического волновода мало, особенно в области тактильного распознавания роботами.

В этой статье новый гибкий и растягиваемый оптический волновод был разработан и изготовлен с помощью процесса формования нанорепликата. Гибкий и растягиваемый оптический волновод является важным тактильным сенсорным устройством и может использоваться для определения давления и деформации в носимых устройствах и в медицинских целях. Гибкий растягиваемый волновод был изготовлен на кремниевой эталонной пластине с PDMS в качестве подложки. Мастер-пластина с нанорешеткой использовалась для создания решетчатых структур на оптическом волноводе в качестве входных / выходных элементов связи. Все связанные параметры были проанализированы и рассчитаны в процессе изготовления. Изготовленный гибкий и растягиваемый оптический волновод применялся для измерения давления и деформации в области тактильного восприятия.

Методы

Принцип гибкого и растягиваемого волновода

Для гибкого и растягиваемого оптического волноводного датчика показатель преломления управляемого слоя равен n _waveguide . а коэффициент преломления волновода внешней среды равен n _external , который удовлетворяет следующему соотношению:

В этой статье PDMS выбран в качестве слоя оптического волновода, а его коэффициент преломления составляет 1,41, что выше, чем коэффициент преломления воздуха 1,0, поэтому его можно использовать в качестве простого оптического волновода. Реализация тактильного зондирования требует, чтобы гибкий и растягиваемый оптический волновод, основанный на тактильном зондировании, мог определять различные физические параметры (давление, деформацию и т. Д.) Окружающей среды. Когда на гибкое и растяжимое оптическое волноводное чувствительное устройство воздействует внешняя среда, интенсивность выходной световой мощности неразрывно связана с механическими возмущениями, вызванными напряжением или деформацией. В соответствии с изменением интенсивности выходного света может быть установлена ​​деформация гибкого и растягиваемого оптического волновода, вызванная внешней силой окружающей среды. Вычислив изменение интенсивности выходного света, можно количественно измерить внешние физические изменения.

Принципиальная схема гибкого и растягиваемого оптического волноводного чувствительного устройства, показанного на рис. 1а. Часть гибкого и растягиваемого оптического волновода включает:1, гибкую и растягиваемую пленку оптического волновода; 2, периодическая глубина нанорешетки; 3, длина оптического волновода; 4 Период нанографирования; 5, ширина наночастиц; 6, вход с решеткой, 7, выход с решеткой. Решетчатое соединение гибкого и растягиваемого оптического волновода состоит из части 6 - области связи решеток и части 7 - области связи решеток для входной и выходной интенсивности света. Измерение оптического волновода выполняется гибким растягиваемым оптическим волноводом с внешними физическими величинами (давлением, деформацией и т. Д.) Для получения соответствующей зависимости между интенсивностью выходного света и изменениями внешних физических величин, как показано на рис. 1b. .

а Принцип измерения давления и деформации, b Схема гибкого растягиваемого оптического волновода

Когда пучок световой волны вводится в оптический волновод из решетчатого ответвителя под определенным углом, он проходит на расстояние L в оптическом волноводе, а затем выводится через выходную решетчатую ответвитель. Предполагается, что интенсивность выходного света I ₀ . Когда гибкая и растягиваемая структура оптического волновода деформируется под действием приложенного внешнего давления F или деформации S, соответствующее изменение интенсивности света на выходе оптического волновода составляет ΔI ₀ , поэтому соотношение между интенсивностью выходного света и давлением составляет:

Связь между изменением интенсивности света и приложенной деформацией:

Результаты моделирования и анализ

Гибкий и поддающийся растяжению материал конструкции оптического волновода представляет собой мягкий материал, обладающий гибкостью и растяжимостью. Когда гибкий растягиваемый оптический волновод выполняет тактильное распознавание, устройство может быть повреждено или работать неправильно из-за напряжения, возникающего в процессе деформации. Следовательно, при производстве гибких и растягиваемых оптических волноводов необходимо выполнять статическое моделирование фотонно-кристаллических структур, изготовленных из различных материалов, и анализировать распределение внутренних напряжений и деформаций в структуре, когда она подвергается воздействию внешней силы, вызывающей деформацию растяжения. . Для моделирования методом конечных элементов использовалась программа ABAQUS. Параметры модели были установлены следующим образом:период решетки 850 нм, скважность 0,5, толщина материала 2 мм, высота решетки 200 мкм, модуль Юнга 1 МПа, коэффициент Пуассона 0,48, плотность ПДМС установлена ​​на 0,98 г / см. ³ . Нагрузка определяется как растягивающее смещение, приложенное к обеим сторонам оптического волновода, а другие направления фиксированы, что означает, что устройство растягивается на 10% в горизонтальном направлении. Диаграмма модального распределения напряжения – деформации оптического волновода PDMS показана на рис. 2. Из рис. 2а видно, что морфологические изменения деформации в основном распределяются в нижней части структуры решетчатого слоя, а деформация составляет распределены симметрично и более равномерно с обеих сторон. Концентрация напряжений в основном находится в той части, где соединяются решетчатая и блочная конструкции, а максимальное напряжение составляет менее 0,13 МПа, как показано на рис. 2b. Анализ механического моделирования показывает, что волновод с решетчатой ​​структурой на основе PDMS имеет очень хорошие свойства при растяжении, а эксперимент по моделированию подтверждает стабильность функции измерения деформации гибкой и растягиваемой структуры оптического волновода.

Конечно-элементное моделирование гибкого растягиваемого волновода: a Упругая деформация; б Стресс

Принцип восприятия тактильного датчика с гибким оптическим волноводом заключается в том, что, когда свет вводится в оптический волновод и проходит, потери передачи света возникают из-за внешнего напряжения и деформации, а цель измерения напряжения и деформации достигается путем вычисления потерь. Следовательно, для разработанного устройства оптического волновода на основе структуры с нанорешеткой требуется моделирование электрического поля для проверки состояния пропускания света в оптическом волноводе. В эксперименте по электромагнитному моделированию для анализа и проектирования используется программное обеспечение электромагнитного моделирования FDTD. Поскольку разработанный оптический волновод представляет собой симметричную структуру, в качестве объекта исследования выбраны решетчатые ответвители на обоих концах. Рабочий цикл решетки 0.5, период решетки, высота решетки. Его основная структура показана на рис. 3а. Когда гауссовы лучи красного света вводятся в оптический волновод под углом падения 13,54 градуса, большая часть луча белого света может попадать в оптический волновод и распространяться вдоль горизонтального направления оптического волновода. Эксперимент подтвердил, что, когда луч входит в оптический волновод под определенным углом падения, луч может частично распространяться в оптическом волноводе и выходить наружу, как показано на рис. 3b.

а Структура моделирования процесса световой связи, b электромагнитное распределение входящего света

Изготовление

Режим входа и выхода гибкого и растягиваемого оптического волновода - это решетчатая связь, которая изготавливается методом нанорепликации с использованием Si-шаблона решетки. Гибкие оптические материалы, которые могут использоваться для изготовления гибких и растягиваемых оптических волноводов, включают PDMS, SU8, PMMA и гибкое халькогенидное стекло. Процесс изготовления гибкого и растягиваемого волновода выглядит следующим образом:(1) Шаблон мастер-пластины. Шаблон нанорешетки имеет период решетки 850 нм, коэффициент заполнения 0,5 (LightSmyth Technologies, Inc.). (2) Модификация поверхности. Подготовленный шаблон кремниевых пластин помещали в гидрофобный силан и вымачивали на 15 мин. Затем его очищали IPA и сушили газообразным азотом, чтобы изменить поверхностные свойства шаблона Si-решетки (с гидрофильных на гидрофобные). (3) Жертвенный слой. Раствор поливинилового спирта (ПВС) (концентрация 10%) был нанесен методом центрифугирования на 4 '' кремниевую пластину, а затем высушен при 75 ⁰ C в течение 30 мин. 4. Шаблон решетчатого волновода. Две Si-решетки 855 нм были помещены поверх временного слоя ПВС. Убедитесь, что ориентация двух шаблонов решеток одинакова, решетки направлены вверх, а расстояние между шаблонами соответствует относительному расстоянию. (5) Покрытие неотвержденного ПДМС. Смешивание неотвержденного ПДМС и отвердителя в соотношении 10:1. Затем неотвержденный ПДМС перемешивают до равномерного перемешивания. После этого смесь помещают в вакуумный бокс и дегазируют в течение 10 мин. Наконец, неотвержденный PDMS наносится методом центрифугирования на решетчатый волноводный шаблон. (6) Зачистка волновода на основе PDMS. Поместите оптический волновод, затвердевший на ПВС, в воду и купите в течение 10 ч для растворения ПВС. Извлечение гибкого растягиваемого оптического волновода и отслаивающегося волновода от шаблонов с кремниевой решеткой, как показано на рис. 4. Размер гибкой и растягиваемой структуры оптического волновода, разработанной в этой статье, можно регулировать. В последующих приложениях исследователи могут регулировать структурный размер оптического волновода в соответствии со своими требованиями. Гибкий и растягиваемый оптический волновод можно регулировать, главным образом, в следующих двух аспектах:(1) уменьшить размер Si-шаблона; (2) уменьшить расстояние передающего слоя решетки. С помощью двух вышеуказанных методов размер гибкого и растягиваемого оптического волновода может быть адаптирован и изготовлен в соответствии с потребностями упаковки.

Процесс изготовления гибкого и растягиваемого оптического волноводного датчика Nanoreplica

Структура нанорешетки изготовлена ​​путем масштабного копирования и формования. Выбранный шаблон кремниевой решетки имеет период 850 нм, рабочий цикл 0,5 и высоту решетки 200 нм, как показано на рис. 5a. Качество морфологии нанорешетки определяет эффективность связи входящего и выходного света. АСМ-изображение нанорешеток на основе формования реплик показано на рис. 5b. Из рисунка видно, что структура нанорешетки может быть перенесена с шаблона кремниевой решетки на подложку PDMS с хорошей консистенцией. Можно сделать вывод, что выбранный метод формования нанореплик может удовлетворить требованиям изготовления гибких и растягиваемых оптических волноводов.

АСМ изображения нанорешеток: а Шаблон Si-нанорешетки, b формовочные решетки нанореплика на ПДМС

Результаты и обсуждение

Платформа обнаружения

Чтобы измерить напряжение и деформацию для тактильного восприятия с помощью гибкого и растягиваемого волновода, была построена гибкая платформа для тактильного восприятия. Вся экспериментальная платформа с гибким и растягиваемым оптическим волноводом показана на рис. 6а и в основном включает в себя следующий процесс:(1) Источник падающего света. В качестве падающего света выбрана лазерная точка с длиной волны 632,8 нм. (2) Устройство регулировки положения и положения источника света. Это механическое устройство, используемое для фиксации положения источника падающего света и регулировки его угла падения в реальном времени. (3) Устройство измерения растяжения. Устройство измерения растяжения, состоящее из штангенциркуля Вернье и нестандартных фиксированных деталей, которое можно использовать для точного измерения начальной длины гибкого и растягиваемого оптического волновода и соответствующего изменения длины растяжения в эксперименте. (4) Фотоприемник. Фотодетектор PM100D (Thorlabs, Inc.) имеет диапазон обнаружения интенсивности света от 500 нВт до 500 мВт. В этой экспериментальной платформе фотодетектор используется для обнаружения изменения интенсивности выходного света на гибком и растягиваемом оптическом волноводе на основе PDMS, и соответствующие давление и деформация могут быть рассчитаны на основе величины изменения интенсивности выходного света. Эта экспериментальная платформа для тактильного зондирования имеет низкую стоимость, совместима и может использоваться для определения давления и деформации для тактильного зондирования. Точность деформации может достигать 0,1%, точность штангенциркуля - 0,02 мм. В то же время фотодетектор используется для обнаружения изменения интенсивности выходного света, а разрешение фотодиодного зонда составляет 10 ПВт. Гибкий и растягиваемый оптический волновод, изготовленный методом нанорепликации, показан на рис. 6. Цветная квадратная область - это входная и выходная часть гибкого и растягиваемого оптического волновода, а прозрачная область в средней области - это область пропускания света. Красочный эффект создается за счет дифракции света на поверхности решетки. Гибкий растягиваемый оптический волновод показан на рис. 6b, цветная область - это входной и выходной порт гибкого растягиваемого оптического волновода, а средняя прозрачная область - это область передачи оптического волновода. Цветное изображение входного и выходного порта связи решетки вызвано дифракцией света на поверхности решетки.

а Платформа тактильного восприятия, b Гибкий растягиваемый оптический волновод на основе нанорешетки

Эксперименты по тактильному восприятию

При тактильном восприятии давление и деформация - это две физические величины, которые часто используются в тактильных сенсорах роботов при взаимодействии с внешней средой. Точное восприятие давления и деформации в режиме реального времени может позволить роботам точно определять степень механической деформации при взаимодействии с внешними объектами, чтобы облегчить последующую оптимальную работу с обратной связью.

Метод тестирования гибкого и растягиваемого оптического волновода заключается в следующем:(1) Стабильный световой пучок используется для падения на волноводный передающий слой гибкого и растягиваемого оптического волновода через решетку связи под фиксированным углом. На другом конце оптического волновода фотодетектор используется для сбора выходного света от выходного решетчатого элемента связи. (2) Когда к гибкому и растяжимому оптическому волноводу приложена внешняя сила, структура оптического волновода изменится, что приведет к ослаблению интенсивности выходного света. Анализируя ослабление интенсивности света, можно точно измерить внешнюю силу. (3) Когда к гибкому и растяжимому оптическому волноводу прилагается внешняя деформация, деформация также может быть точно измерена в соответствии с изменением интенсивности выходного света. Было проведено испытание давлением гибкого растягиваемого оптического волновода. В этом эксперименте гибкий и растягиваемый оптический волновод фиксируется двумя скользящими головками штангенциркуля Вернье, а лазерные источники с длиной волны 632,8 нм настраиваются для подключения к входному отверстию решетки под оптимальным углом. Положение оптимального угла связано с максимальной мощностью, получаемой измерителем мощности на выходном конце решетки. В средней части гибкого и растягиваемого оптического волновода используется измеритель давления для постепенного давления на него, и записываются соответствующие данные о значении давления и интенсивности света.

Результаты экспериментов показаны на рис. 7а. Согласно фигуре, интенсивность выходного света оптического волновода уменьшается по мере увеличения приложенного давления, и существует линейная корреляция между изменением давления и интенсивностью выходного связанного света. Диапазон измерения давления гибкого растягиваемого оптического волновода составляет от 0 до 25 × 10 ^–3 . Н.

Эксперименты по зондированию с гибким и растягивающимся оптическим волноводом: a график зависимости давления от потери интенсивности света, b график зависимости деформации от потери интенсивности света

Эксперимент по измерению деформации гибкого и растягиваемого оптического волновода проводится с помощью механизма растяжения со шкалой. Во-первых, гибкий и растягиваемый волновод предварительно растягивается, чтобы избежать изгиба под действием силы тяжести, так что он находится в горизонтальном состоянии, а его начальная длина L ₀ регистрируется штангенциркулем. Затем гибкий и растягиваемый оптический волновод растягивается зажимным механизмом на обоих концах штангенциркуля, и длина после растяжения записывается как L, тогда соответствующая деформация S может быть рассчитана как:

Результаты экспериментов по измерению деформации на основе гибкого растягиваемого оптического волновода показаны на рисунке. Согласно рисунку, с увеличением приложенной деформации выходная оптическая интенсивность гибкого и растягиваемого оптического волновода постепенно уменьшалась. Более того, оптическая мощность уменьшалась по мере увеличения приложенной деформации, и между ними существует линейная корреляция. Между тем, диапазон измерения деформации гибкого и растягиваемого оптического волновода составляет от 0 до 12,5% с точностью до 0,1%, как показано на рис. 7b.

Сенсорную систему можно разделить на две части:гибкий растягиваемый оптический волновод и детектор света (которым является цифровой измеритель мощности PM100D). Поскольку задержка света, передаваемого в оптическом датчике на основе PDMS, действительно мала и ею можно пренебречь, скорость отклика и восстановления в основном зависит от светового датчика. А частота срабатывания измерителя мощности в нашей системе обнаружения составляет 25 Гц. Таким образом, время отклика гибкого растягиваемого оптического волноводного датчика составляет 40 мс. Стабильность цикла гибкого и растягиваемого оптического датчика исследуется путем нагружения и разгрузки приложенной деформации и давления. В случае определенной приложенной нагрузки мы подсчитываем количество растяжек в повторных экспериментах. И результат показывает, что его можно растянуть более 3000 раз со стабильностью. Кроме того, если материал PDMS смешать с PAAm (полиакриламидом), материал выдержит более 30 000 циклов нагрузки [26].

В настоящее время существуют некоторые проблемы при изготовлении гибких и растягиваемых оптических устройств. Основная причина в том, что количество прозрачных и гибких оптических материалов, которые можно использовать для растяжения, действительно ограничено. Другая причина заключается в том, что необходимо разработать новые производственные технологии, которые можно использовать для быстрого создания прототипов и изготовления микро- и наноструктур на основе гибких оптических материалов. Гибкий и растягиваемый оптический волновод представляет собой оригинальную конструкцию, потери в волноводе будут увеличены при использовании PDMS в качестве основного слоя волновода. Недавно были предложены некоторые гибкие оптические материалы [21, 27, 28, 29, 30]. Ван и др. изготовили гибкую фотонную бумагу с нанокристаллами целлюлозы и полиуретановым латексом на водной основе [31]. В будущем структура оптического волновода может быть улучшена с помощью соответствующих гибких оптических материалов.

Заключение

Таким образом, гибкие и растягиваемые волноводы подходят для приложений в области тактильного зондирования, здравоохранения и гибкой электроники. Гибкий и растягиваемый оптический волновод изготавливается на гибких оптических материалах с шаблоном кремниевой решетки, а структура нанорешетки может быть перенесена на гибкий оптический материал путем формования нанорепликации. Изготовленный гибкий и растягиваемый оптический волновод имеет преимущества быстрого прототипирования, низкой стоимости и простоты изготовления. Была изучена технология изготовления гибкого и растягиваемого оптического волновода, и была разработана оптимальная технология изготовления путем сочетания процесса подготовки жертвенного слоя, подготовки шаблона кремниевой решетки, гидрофобной обработки и технологии подготовки гибкого материала. Гибкий и растягиваемый оптический волновод имел диапазон обнаружения деформации от 0 до 12,5%, а диапазон обнаружения внешней силы - от 0 до 23 × 10 ^–3 N. Гибкие и растягиваемые чувствительные устройства на основе оптических волноводов обладают характеристиками гибкости, растяжимости и легкости прилегания к изогнутой поверхности по сравнению с обычными жесткими оптическими волноводами. Гибким оптическим материалом, используемым в этом устройстве, является PDMS, который можно использовать для улучшения свойств растяжения гибкого и растягиваемого оптического волновода до более чем 50%. Устройство может полностью раскрыть растяжимость и гибкость гибкого растягиваемого оптического волновода и точно измерить изменение выходной интенсивности оптической мощности оптического волновода, вызванное изменениями внешних физических величин (давления, деформации и т. Д.). / P>

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

IPA:

Изопропиловый спирт

DI вода:

Деионизированная вода

FDTD:

Временная область с конечной разницей

PDMS:

Полидиметилсилоксан