Panduan gelombang fleksibel dan dapat diregangkan berbasis nanograting untuk penginderaan taktil
Abstrak
Berdasarkan karakteristik terkait pandu gelombang optik dan bahan optik fleksibel, struktur pandu gelombang optik fleksibel dan dapat diregangkan yang berorientasi pada persepsi taktil diusulkan. Prinsip penginderaan pandu gelombang optik didasarkan pada deformasi mekanis yang disebabkan oleh hilangnya cahaya keluaran. Ini mengatasi kekurangan perangkat pandu gelombang optik tradisional, yang tidak dapat menyesuaikan diri dengan permukaan yang tidak teratur. Pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan dibuat dengan metode pencetakan nanoreplika, dan telah diterapkan pada pengukuran tekanan dan regangan di bidang penginderaan taktil. Pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan memiliki rentang deteksi regangan 0 hingga 12,5%, dan rentang deteksi gaya eksternal dari 0 hingga 23 × 10
–3
N.
Pengantar
Waveguide optik adalah struktur yang memandu transmisi gelombang cahaya [1,2,3,4]. Waveguides optik kaku konvensional tidak dapat memenuhi persyaratan elektronik fleksibel dan robotika lunak [5,6,7]. Perangkat yang fleksibel dan dapat diregangkan akan menjadi bagian penting untuk sistem penginderaan taktil robot, yang dapat mewujudkan persepsi interaksi manusia-mesin, dan memiliki tingkat fleksibilitas, daya regangan, kemampuan beradaptasi, sensitivitas, biokompatibilitas, dan kebal terhadap interferensi elektromagnetik yang tinggi [8, 9,10,11,12]. Wang dkk. membuat sensor tekanan fleksibel yang terinspirasi dari bio berdasarkan film biokomposit Ti3C2/MC dengan sensitivitas tekanan 24,63 kPa
−1
, dan film sutra Fibroin-MXene juga telah digunakan sebagai sensor tekanan dengan biokompatibilitas dan kinerja tinggi [13, 14]. Ran dkk. membuat sistem amplifikasi deteksi Inframerah (IR) biomimetik fleksibel untuk pencitraan kontras tinggi cahaya IR, dan fotosensitifitas puncak dapat mencapai 7,6 × 10
4
di bawah panjang gelombang 1342 nm [15]. Waveguide optik yang fleksibel dan dapat diregangkan berdasarkan struktur nanograting dapat dibuat menjadi perangkat penginderaan taktil dengan fleksibilitas dan kemampuan meregang, dan memiliki aplikasi luas di bidang elektronik dan robotika yang dapat dikenakan. Li dkk. membuat perangkat pandu gelombang fleksibel berdasarkan kaca chalcogenide yang dapat ditekuk, dan teori multi-sumbu saraf digunakan untuk mengoptimalkan distribusi regangan [16]. Juga, pandu gelombang kaca telah dirancang dalam bentuk serpentine, dengan daya regangan 42% regangan tarik. Selain bahan optik fleksibel baru, banyak teknologi fabrikasi canggih telah digunakan dalam fabrikasi pandu gelombang yang fleksibel dan dapat diregangkan [17, 18]. Samusjew dkk. membuat pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan photopolymerization dengan pencetakan inkjet, dan pandu gelombang memiliki daya regangan 120% [19]. Untuk mencapai fleksibilitas dan kemampuan meregangkan perangkat pemandu gelombang optik berdasarkan struktur nanograting, bahan lunak baru dengan transparansi optik diperlukan sebagai landasan. Saat ini, bahan baru yang digunakan untuk membuat perangkat penginderaan foton yang fleksibel dan dapat diregangkan terus dikembangkan [11, 20]. Mereka memiliki beberapa karakteristik umum, termasuk transparansi, fleksibilitas, dan kelenturan. Bahan lunak optik baru ini dapat dibagi ke dalam kategori berikut:elastomer, kristal koloid, hidrogel, dan opal sintetis [21,22,23]. Dengan pengembangan bertahap perangkat pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan berdasarkan bahan optik fleksibel dan teknologi mikro/nanomanufaktur, penerapan pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan dalam persepsi sentuhan, elektronik yang dapat dikenakan, dan diagnosis kesehatan pribadi telah diperluas secara bertahap. Andreas dkk. menggunakan polimer polistirena sebagai lapisan penutup dan polimer terfluorinasi sebagai lapisan transmisi untuk menyiapkan perangkat penginderaan pandu gelombang optik ultra-tinggi dan elastoplastik, yang kekuatan tariknya dapat melebihi 300% [24]. Alexander dkk. menggunakan teknologi holografik dan metode curing template UV untuk menyiapkan cahaya kisi difraksi fleksibel pada bahan PDMS yang dicampur dengan molekul fotosensitif benzofenon [25]. Meskipun banyak peneliti telah menerapkan pemandu gelombang optik yang fleksibel atau dapat diregangkan, hanya sedikit kemajuan penelitian tentang pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan, terutama di bidang penginderaan taktil robot.
Dalam makalah ini, pandu gelombang optik baru yang fleksibel dan dapat diregangkan telah dirancang dan dibuat dengan proses pencetakan nanoreplica. Pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan adalah perangkat penginderaan taktil yang penting dan dapat digunakan untuk mewujudkan sensor tekanan dan regangan untuk aplikasi perangkat yang dapat dikenakan dan perawatan kesehatan. Waveguide yang fleksibel dan dapat diregangkan dibuat pada wafer master silikon, dengan PDMS sebagai substratnya. Wafer master nanograting digunakan untuk membuat struktur kisi pada pandu gelombang optik sebagai skrup masuk/keluar. Semua parameter terkait telah dianalisis dan dihitung selama proses fabrikasi. Pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat direnggangkan telah diterapkan pada pengukuran tekanan dan regangan di bidang penginderaan taktil.
Metode
Prinsip pandu gelombang yang fleksibel dan dapat diregangkan
Untuk sensor pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan, indeks bias lapisan terpandu adalah npanduan gelombang dan koefisien indeks bias lingkungan sekitar pandu gelombang adalah neksternal , yang memenuhi hubungan berikut:
$$n_{panduan gelombang}> n_{eksternal}$$ (1)
Dalam makalah ini, PDMS dipilih sebagai lapisan pemandu gelombang optik, dan koefisien indeks biasnya adalah 1,41, yang lebih tinggi dari koefisien indeks bias udara 1,0, sehingga dapat digunakan sebagai pemandu gelombang optik sederhana. Realisasi penginderaan taktil mensyaratkan bahwa pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan berdasarkan penginderaan taktil dapat mendeteksi parameter fisik yang berbeda (tekanan, regangan, dll.) dari lingkungan sekitar. Ketika perangkat penginderaan pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan dipengaruhi oleh lingkungan eksternal, intensitas daya cahaya keluaran secara intrinsik terkait dengan gangguan mekanis yang disebabkan oleh stres atau regangan. Menurut variasi intensitas cahaya keluaran, deformasi pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan yang disebabkan oleh gaya lingkungan eksternal dapat ditetapkan. Dengan menghitung perubahan intensitas cahaya keluaran, variasi fisik eksternal dapat diukur secara kuantitatif.
Diagram skema perangkat penginderaan pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Bagian dari pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan meliputi:1, Film pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan; 2, kedalaman nanograting periodik; 3, Panjang pandu gelombang optik; 4 periode nanograting; 5, lebar nanograting; 6, Kisi-kisi input yang digabungkan, 7, Kisi-kisi output yang digabungkan. Kopling kisi dari pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan terdiri dari area kopling 6 kisi bagian dan area kopling 7 kisi bagian untuk memasukkan dan mengeluarkan intensitas cahaya. Penginderaan pandu gelombang optik dilakukan oleh pandu gelombang optik fleksibel yang dapat diregangkan dengan kuantitas fisik eksternal (tekanan, regangan, dll.) untuk mendapatkan hubungan yang sesuai antara intensitas cahaya keluaran dan perubahan kuantitas fisik eksternal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b .
a Prinsip penginderaan tekanan dan regangan, b Skema pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan
Ketika seberkas gelombang cahaya digabungkan ke pemandu gelombang optik dari coupler kisi pada sudut tertentu, ia mentransmisikan jarak L dalam pemandu gelombang optik, dan kemudian digabungkan keluar melalui coupler kisi keluaran. Diasumsikan bahwa intensitas cahaya keluaran adalah I0 . Ketika struktur pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan berubah bentuk oleh tekanan eksternal yang diterapkan F atau regangan S, variasi intensitas cahaya yang sesuai dari output pandu gelombang optik adalah I0 , sehingga hubungan antara intensitas cahaya dan tekanan keluaran adalah:
$$\Delta I_{0} =f\kiri( F \kanan)$$ (2)
Hubungan antara variasi intensitas cahaya dan regangan yang diterapkan adalah:
$$\Delta I_{0} =f\left( S \kanan)$$ (3)
Hasil dan analisis simulasi
Bahan struktur pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan adalah bahan yang lembut dengan fleksibilitas dan daya regangan. Ketika pandu gelombang optik fleksibel yang dapat diregangkan melakukan penginderaan taktil, perangkat mungkin rusak atau tidak berfungsi dengan baik karena tegangan yang disetel selama proses deformasi. Oleh karena itu, ketika membuat perangkat pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan, perlu untuk melakukan simulasi statis pada struktur kristal fotonik yang disiapkan dengan bahan yang berbeda, dan menganalisis distribusi tegangan dan regangan internal dalam struktur ketika dikenai gaya eksternal untuk menghasilkan deformasi tarik. . Software ABAQUS digunakan untuk simulasi elemen hingga. Parameter model ditetapkan sebagai berikut:periode kisi 850 nm, siklus kerja 0,5, ketebalan material 2 mm, tinggi kisi 200 mikron, modulus Young 1 MPa, rasio Poisson 0,48, dan densitas PDMS diatur ke 0,98 g/ cm
3
. Beban didefinisikan sebagai perpindahan tarik yang diterapkan pada kedua sisi pandu gelombang optik, dan arah lainnya tetap, yang berarti bahwa perangkat diregangkan sebesar 10% dalam arah horizontal. Diagram distribusi modal tegangan-regangan dari pandu gelombang optik PDMS ditunjukkan pada Gambar 2. Dapat dilihat dari Gambar 2a bahwa perubahan morfologi regangan terutama didistribusikan di bagian bawah struktur lapisan kisi, dan regangannya didistribusikan secara simetris dan lebih seragam di kedua sisi. Konsentrasi tegangan terutama pada bagian di mana kisi-kisi dan struktur balok dihubungkan, dan tegangan maksimum kurang dari 0,13 MPa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Analisis simulasi mekanis menunjukkan bahwa pandu gelombang struktur kisi berdasarkan PDMS memiliki sifat tarik yang sangat baik dan eksperimen simulasi mendukung stabilitas fungsi penginderaan regangan dari struktur pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan.
Simulasi elemen hingga pandu gelombang yang fleksibel dan dapat diregangkan:a Regangan elastis; b Stres
Prinsip penginderaan dari sensor taktil pandu gelombang optik fleksibel adalah bahwa ketika cahaya digabungkan ke dalam pandu gelombang optik dan ditransmisikan, kehilangan transmisi cahaya terjadi karena tegangan dan regangan eksternal, dan tujuan penginderaan tegangan dan regangan dicapai dengan menghitung kerugian. Oleh karena itu, untuk perangkat pandu gelombang optik yang dirancang berdasarkan struktur nanograting, diperlukan simulasi medan listrik untuk memverifikasi status transmisi cahaya dalam pandu gelombang optik. Dalam percobaan simulasi elektromagnetik, perangkat lunak simulasi elektromagnetik FDTD digunakan untuk analisis dan desain. Karena pandu gelombang optik yang dirancang adalah struktur simetris, coupler kisi di kedua ujungnya dipilih sebagai objek penelitian. Siklus kerja kisi adalah 0,5, periode kisi adalah, dan tinggi kisi adalah. Struktur dasarnya ditunjukkan pada Gambar. 3a. Ketika berkas cahaya merah Gaussian digabungkan ke pemandu gelombang optik pada sudut datang 13,54 derajat, sebagian besar berkas cahaya putih dapat digabungkan ke pemandu gelombang optik dan merambat sepanjang arah horizontal pemandu gelombang optik. Eksperimen tersebut memverifikasi bahwa ketika berkas memasuki pemandu gelombang optik pada sudut datang tertentu, berkas dapat merambat sebagian dalam pemandu gelombang optik dan digabungkan keluar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b.
a Struktur simulasi proses kopling ringan, b distribusi elektromagnetik dari cahaya dalam kopling
Fabrikasi
Mode input dan output dari pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan adalah grating coupling, yang dibuat dengan cetakan nanoreplica dengan template kisi master Si. Bahan optik fleksibel yang dapat digunakan untuk fabrikasi pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan termasuk PDMS, SU8, PMMA dan kaca chalcogenide yang dapat ditekuk. Proses pembuatan pandu gelombang yang fleksibel dan dapat diregangkan adalah sebagai berikut:(1) Master wafer template. Template nanograting memiliki periode kisi 850 nm, faktor pengisian 0,5 (LightSmyth Technologies, Inc.). (2) Modifikasi permukaan. Template wafer silikon yang telah disiapkan ditempatkan dalam silan hidrofobik dan direndam selama 15 menit. Kemudian dibersihkan dengan IPA dan dikeringkan dengan gas nitrogen, sehingga dapat mengubah sifat permukaan template kisi Si (dari hidrofilik menjadi hidrofobik). (3) Lapisan pengorbanan. Larutan Polivinil Alkohol (PVA) (konsentrasi 10%) dilapisi pemintalan pada wafer 4′’ Si, dan kemudian dikeringkan pada suhu 75
0
C selama 30 menit. (4) Template pandu gelombang kisi. Dua kisi Si 855 nm ditempatkan di atas lapisan pengorbanan PVA. Pastikan bahwa orientasi kedua kerangka kisi sama dan kisi-kisi menghadap ke atas, serta jarak relatif antara kerangka. (5) Melapisi PDMS yang tidak diawetkan. Pencampuran uncured PDMS dan curing agent dengan perbandingan 10:1. Kemudian, PDMS yang tidak diawetkan diaduk agar tercampur rata. Setelah itu, campuran ditempatkan dalam kotak vakum dan dihilangkan gasnya selama 10 menit. Akhirnya, PDMS yang tidak diawetkan dilapisi spin pada templat pandu gelombang kisi. (6) Pengupasan pandu gelombang berbasis PDMS. Menempatkan pemandu gelombang optik yang memadat pada PVA dalam air dan memandikannya selama 10 jam untuk melarutkan PVA. Mengeluarkan pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan serta pandu gelombang yang terkelupas dari template kisi silikon, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Ukuran struktur pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan yang dirancang dalam makalah ini dapat disesuaikan. Dalam aplikasi selanjutnya, peneliti dapat menyesuaikan ukuran struktural pandu gelombang optik berdasarkan kebutuhan mereka. Waveguide optik yang fleksibel dan dapat diregangkan dapat disesuaikan terutama dari dua aspek berikut:(1) mengurangi ukuran template Si; (2) mengurangi jarak lapisan transmisi kisi. Melalui dua metode di atas, ukuran pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan dapat dirancang dan diproduksi secara adaptif sesuai dengan kebutuhan pengemasan.
Proses fabrikasi cetakan nanoreplica dari sensor pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan
Struktur nanograting dibuat dengan penyalinan dan pencetakan skala besar. Template kisi silikon yang dipilih memiliki periode 850 nm, siklus kerja 0,5, dan tinggi kisi 200 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a. Kualitas morfologi nanograting menentukan efisiensi kopling input dan output cahaya. Gambar AFM dari nanograting berdasarkan cetakan replika adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b. Dapat dilihat dari gambar bahwa struktur nanograting dapat ditransfer dari template grating silikon ke substrat PDMS dengan konsistensi yang baik. Dapat disimpulkan bahwa metode nanoreplica moulding yang dipilih dapat memenuhi persyaratan fabrikasi pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan.
Gambar nanograting AFM:a Template nanograting, b kisi cetakan nanoreplica pada PDMS
Hasil dan diskusi
Platform penginderaan
Untuk mengukur tegangan dan regangan untuk penginderaan taktil dengan pandu gelombang yang fleksibel dan dapat diregangkan, platform penginderaan taktil yang fleksibel dibangun. Seluruh platform eksperimental pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan ditunjukkan pada Gambar. 6a, terutama mencakup proses berikut:(1) Sumber cahaya insiden. Titik laser dengan panjang gelombang yang terletak pada 632,8 nm dipilih sebagai cahaya datang. (2) Perangkat penyetel posisi dan postur sumber cahaya. Ini adalah perangkat mekanis yang digunakan untuk memperbaiki posisi sumber cahaya datang dan menyesuaikan sudut datangnya secara real time. (3) Alat pengukur tarik. Perangkat pengukuran tarik terdiri dari Vernier Caliper dan bagian tetap non-standar, yang dapat digunakan untuk mengukur secara akurat panjang awal pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan dan variasi panjang peregangan yang sesuai dalam percobaan. (4) Fotodetektor. Fotodetektor PM100D (Thorlabs, Inc.) memiliki jangkauan deteksi intensitas cahaya dari 500nW hingga 500mW. Dalam platform eksperimental ini, fotodetektor digunakan untuk mendeteksi variasi intensitas cahaya keluaran pada pandu gelombang optik berbasis PDMS yang fleksibel dan dapat diregangkan, dan tekanan dan regangan terkait dapat dihitung berdasarkan jumlah perubahan intensitas cahaya keluaran. Platform eksperimental penginderaan taktil ini berbiaya rendah, kompatibel dan dapat digunakan untuk mendeteksi tekanan dan regangan untuk penginderaan taktil. Ketepatan regangan bisa mencapai 0,1%, dengan presisi Vernier Caliper adalah 0,02 mm. Pada saat yang sama, fotodetektor digunakan untuk mendeteksi variasi intensitas cahaya keluaran, dan resolusi probe fotodioda adalah 10 PW. Pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan yang dibuat dengan cetakan nanoreplica ditunjukkan pada Gambar. 6. Area persegi berwarna-warni adalah bagian input dan output dari pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan, dan area transparan di area tengah adalah area transmisi cahaya. Efek warna-warni dihasilkan oleh difraksi cahaya pada permukaan kisi. Pemandu gelombang optik fleksibel yang dapat diregangkan ditunjukkan pada Gambar. 6b, area berwarna adalah port input dan output dari pemandu gelombang optik fleksibel yang dapat diregangkan, dan area transparan tengah adalah area transmisi pemandu gelombang optik. Gambar berwarna dari port input dan output grating coupling disebabkan oleh difraksi cahaya pada permukaan grating.
a Platform penginderaan taktil, b Pemandu gelombang optik berbasis nanograting yang fleksibel dan dapat diregangkan
Eksperimen penginderaan taktil
Dalam penginderaan taktil, tekanan dan regangan adalah dua kuantitas fisik yang sering terlibat dalam sensor taktil robot ketika berinteraksi dengan lingkungan eksternal. Persepsi tekanan dan regangan secara real-time dan akurat dapat memungkinkan robot secara tepat menangkap tingkat deformasi mekanis dalam interaksi dengan objek eksternal, sehingga memfasilitasi operasi umpan balik optimal berikutnya.
Metode pengujian untuk pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan adalah sebagai berikut:(1) Sinar cahaya yang stabil digunakan untuk masuk ke dalam lapisan transmisi pemandu gelombang dari pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan melalui kisi kopling pada sudut tetap. Di ujung lain perangkat pemandu gelombang optik, fotodetektor digunakan untuk mengumpulkan cahaya keluaran dari coupler kisi keluaran. (2) Ketika gaya eksternal diterapkan pada pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan, struktur pemandu gelombang optik akan berubah, yang menyebabkan redaman intensitas cahaya keluaran. Dengan menganalisis redaman intensitas cahaya, gaya eksternal dapat diukur secara akurat. (3) Ketika regangan eksternal diterapkan pada pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan, regangan juga dapat diukur secara akurat sesuai dengan variasi intensitas cahaya keluaran. Uji tekanan untuk pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan telah dilakukan. Dalam eksperimen ini, pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan dipasang oleh dua kepala geser Kaliper Vernier, dan sumber laser 632,8 nm disetel untuk dipasangkan ke port kisi input pada sudut yang optimal. Posisi sudut optimal terkait dengan daya maksimum yang diterima oleh meteran listrik di ujung keluaran kisi. Di bagian tengah pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan, pengukur tekanan digunakan untuk menerapkan tekanan secara bertahap, dan data yang sesuai dari nilai tekanan dan intensitas cahaya dicatat.
Hasil eksperimen ditunjukkan pada Gambar 7a. Menurut gambar, intensitas cahaya keluaran pandu gelombang optik berkurang seiring dengan meningkatnya tekanan yang diterapkan, dan ada korelasi linier antara perubahan tekanan dan intensitas cahaya kopling keluaran. Rentang penginderaan tekanan dari pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan adalah 0 hingga 25 × 10
–3
N.
Eksperimen penginderaan pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan:a tekanan vs. grafik respons kehilangan intensitas cahaya, b regangan vs. grafik respons kehilangan intensitas cahaya
Percobaan penginderaan regangan pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan dilakukan dengan mekanisme peregangan dengan skala. Pertama, pandu gelombang yang fleksibel dan dapat diregangkan sebelumnya diregangkan untuk menghindari pembengkokan akibat gravitasi, sehingga dalam keadaan horizontal, dan panjang awalnya L0 dicatat oleh jangka sorong. Kemudian, pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan diregangkan dengan mekanisme penjepit pada kedua ujung jangka sorong, dan panjang setelah peregangan dicatat sebagai L, maka regangan yang sesuai S dapat dihitung sebagai:
$${\text{S}} =\frac{{L - L_{0} }}{{L_{0} }}$$ (4)
Hasil percobaan penginderaan regangan berdasarkan pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan ditunjukkan pada gambar. Menurut gambar, dengan peningkatan regangan yang diterapkan, intensitas optik keluaran dari pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan menurun secara bertahap. Selain itu, daya optik menurun seiring peningkatan regangan yang diterapkan, dan ada korelasi linier di antara keduanya. Sementara itu, rentang penginderaan regangan dari pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan adalah 0 hingga 12,5%, dengan presisi regangan 0,1%, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7b.
Sistem penginderaan dapat dibagi menjadi dua bagian:pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan dan detektor cahaya (yang merupakan pengukur daya digital PM100D). Karena penundaan cahaya yang ditransmisikan dalam sensor optik berbasis PDMS sangat rendah dan dapat diabaikan, respons dan kecepatan pemulihan terutama bergantung pada detektor cahaya. Dan tingkat respons pengukur daya dalam sistem deteksi kami adalah 25 Hz. Jadi, waktu respons dari sensor pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan adalah 40 md. Stabilitas siklus dari sensor optik yang fleksibel dan dapat diregangkan diselidiki dengan memuat dan menurunkan regangan dan tekanan yang diterapkan. Dalam kasus beban yang diterapkan tertentu, kami menghitung jumlah peregangan melalui eksperimen berulang. Dan, hasilnya menunjukkan dapat diregangkan lebih dari 3000 kali dengan stabilitas. Selanjutnya, jika material PDMS dicampur dengan PAAm (Polyacrylamide), material bertahan lebih dari 30.000 siklus beban [26].
Saat ini, ada beberapa tantangan untuk membuat perangkat optik yang fleksibel dan dapat diregangkan. Alasan utamanya adalah bahan optik transparan dan fleksibel yang dapat digunakan untuk peregangan sangat terbatas. Alasan lain adalah bahwa teknologi fabrikasi baru, yang dapat digunakan untuk mewujudkan prototyping dan fabrikasi mikro dan struktur nano yang cepat berdasarkan bahan optik fleksibel, perlu dikembangkan. Waveguide optik yang fleksibel dan dapat diregangkan adalah desain asli, kehilangan waveguide akan ditingkatkan dengan PDMS sebagai lapisan inti dari waveguide. Baru-baru ini, beberapa bahan optik fleksibel telah diusulkan [21, 27,28,29,30]. Wan dkk. fabrikasi kertas fotonik fleksibel dengan nanocrystals selulosa dan lateks poliuretan yang ditularkan melalui air [31]. Struktur pandu gelombang optik dapat ditingkatkan dengan bahan optik fleksibel terkait ini di masa mendatang.
Kesimpulan
Singkatnya, pandu gelombang yang fleksibel dan dapat diregangkan cocok untuk aplikasi di bidang penginderaan taktil, perawatan kesehatan, dan elektronik fleksibel. Waveguide optik yang fleksibel dan dapat diregangkan dibuat pada bahan optik fleksibel dengan template kisi silikon, dan struktur nanograting dapat ditransfer ke bahan optik fleksibel dengan pencetakan nanoreplica. Pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan yang dibuat memiliki keunggulan prototyping yang cepat, biaya rendah dan mudah untuk dibuat. Teknologi fabrikasi pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan telah dipelajari, dan teknologi fabrikasi yang optimal dikembangkan dengan kombinasi proses preparasi lapisan pengorbanan, preparasi template kisi silikon, perawatan hidrofobik, dan teknologi preparasi material fleksibel. Pemandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan memiliki rentang deteksi regangan 0 hingga 12,5%, dan rentang deteksi gaya eksternal adalah 0 hingga 23 × 10
–3
N. Perangkat penginderaan berbasis pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan memiliki karakteristik fleksibilitas, daya regangan, dan mudah disesuaikan dengan permukaan melengkung, jika dibandingkan dengan pandu gelombang optik konvensional yang kaku. Bahan optik fleksibel yang digunakan pada perangkat ini adalah PDMS, yang dapat digunakan untuk meningkatkan sifat tarik pandu gelombang optik yang fleksibel dan dapat diregangkan hingga lebih dari 50%. Perangkat dapat memberikan permainan penuh pada daya regangan dan fleksibilitas pandu gelombang optik fleksibel yang dapat diregangkan, dan secara akurat mengukur perubahan intensitas daya optik keluaran pandu gelombang optik yang disebabkan oleh perubahan kuantitas fisik eksternal (tekanan, regangan, dll.).
