Guía de ondas flexible mejorada con nanorranuras para detección táctil avanzada

Resumen

Basándose en las características de las guías de onda ópticas y los materiales ópticos flexibles, se propone una estructura de guía de onda óptica flexible y elástica orientada a la percepción táctil. El principio de detección se basa en la pérdida de luz de salida causada por la deformación mecánica, superando las limitaciones de las guías de onda rígidas convencionales que no pueden adaptarse a superficies irregulares. La guía de onda flexible y elástica se fabrica mediante moldeo por réplica nanométrica y se ha aplicado a la medición de presión y deformación en el campo de la detección táctil. El dispositivo presenta un rango de detección de deformación del 0 al 12,5 % y un rango de detección de fuerza externa de 0 a 23 × 10⁻³ N.

Introducción

Una guía de onda óptica es una estructura que guía la transmisión de ondas de luz. Las guías de onda rígidas convencionales no satisfacen los requisitos de la electrónica flexible y la robótica blanda. Los dispositivos flexibles y elásticos serán componentes esenciales para los sistemas de detección táctil robótica, permitiendo la percepción de la interacción humano-máquina con alta flexibilidad, elasticidad, adaptabilidad, sensibilidad, biocompatibilidad e inmunidad a interferencias electromagnéticas.

Investigaciones previas han explorado diversos materiales y métodos de fabricación. Wang et al. desarrollaron sensores de presión flexibles bioinspirados basados en película biocompuesta de Ti₃C₂/MC con sensibilidad de 24,63 kPa⁻¹. Ran et al. fabricaron un sistema de amplificación de detección infrarroja biomimético flexible. Li et al. crearon un dispositivo de guía de onda flexible basado en vidrio calcogenuro doblable. Samusjew et al. utilizaron impresión por inyección de tinta para fabricar guías de onda elásticas con elasticidad del 120 %. Andreas et al. lograron resistencia a la tracción superior al 300 % usando polímeros de poliestireno y fluorados. Alexander et al. emplearon tecnología holográfica y curado UV en PDMS con moléculas fotosensibles de benzofenona.

A pesar de estos avances, existen pocos progresos en guías de onda ópticas flexibles y elásticas, especialmente para detección táctil robótica. En este trabajo, se diseña y fabrica una guía de onda óptica flexible y elástica mediante proceso de moldeo por réplica nanométrica, utilizando PDMS como sustrato y una plantilla maestra de nanorranuras de silicio para crear estructuras de acoplamiento entrada/salida. El dispositivo se aplica a la medición de presión y deformación en detección táctil.

Métodos

Principio de la guía de onda flexible y elástica

Para un sensor de guía de onda óptica flexible y elástica, el índice de refracción de la capa guiada (n_waveguide) debe ser mayor que el del entorno (n_external). Se selecciona PDMS (índice 1,41) como capa de guía de onda, superior al del aire (1,0). La detección táctil requiere que el dispositivo detecte diferentes parámetros físicos (presión, deformación) del entorno. Cuando el dispositivo se ve afectado por fuerzas externas, la intensidad de la luz de salida se relaciona intrínsecamente con la perturbación mecánica causada por el esfuerzo o la deformación. Mediante el cálculo del cambio en la intensidad de luz de salida, se pueden medir cuantitativamente las variaciones físicas externas.

El diagrama esquemático (Fig. 1) muestra: 1) Película de guía de onda flexible y elástica; 2) Profundidad periódica de nanorranura; 3) Longitud de la guía de onda; 4) Período de nanorranura; 5) Ancho de nanorranura; 6) Acoplamiento de entrada por ranura; 7) Acoplamiento de salida por ranura. El acoplamiento por ranura consta de las áreas 6 y 7 para entrada y salida de intensidad lumínica.

Cuando un haz de luz se acopla en la guía de onda a cierto ángulo, recorre una distancia L y se acopla hacia afuera. Se asume intensidad de salida I₀. Cuando la estructura se deforma por presión externa F o deformación S, la variación de intensidad es ΔI₀, estableciéndose relaciones funcionales ΔI₀ = f(F) y ΔI₀ = f(S).

Resultado y análisis de simulación

Se utilizó software ABAQUS para simulación de elementos finitos. Parámetros del modelo: período de ranura 850 nm, ciclo de trabajo 0,5, espesor de material 2 mm, altura de ranura 200 μm, módulo de Young 1 MPa, coeficiente de Poisson 0,48, densidad PDMS 0,98 g/cm³. La carga se define como desplazamiento de tracción del 10 % en dirección horizontal.

Los resultados (Fig. 2) muestran que los cambios morfológicos de deformación se distribuyen principalmente en la parte inferior de la estructura de la capa de ranura, de forma simétrica y uniforme. La concentración de esfuerzo ocurre en la unión entre la ranura y las estructuras de bloque, con esfuerzo máximo inferior a 0,13 MPa. El análisis mecánico confirma excelentes propiedades de tracción del PDMS y estabilidad para detección de deformación.

Para verificar el estado de transmisión de luz, se realizó simulación electromagnética con software FDTD. La estructura simétrica permite estudiar un solo acoplador de ranura. Con ciclo de trabajo 0,5, período y altura de ranura definidos, un haz gaussiano rojo incide a 13,54°, acoplándose mayoritariamente en la guía de onda y propagándose horizontalmente (Fig. 3), verificando el proceso de acoplamiento entrada/salida.

Fabricación

El modo de entrada/salida es acoplamiento por ranura, fabricado por moldeo por réplica nanométrica con plantilla maestra de ranura de silicio. Materiales ópticos flexibles incluyen PDMS, SU8, PMMA y vidrio calcogenuro doblable. El proceso:

1. Plantilla maestra: ranura nanométrica de 850 nm período, factor de llenado 0,5 (LightSmyth Technologies).
2. Modificación de superficie: plantilla de silicio en silano hidrofóbico 15 min, limpieza con IPA y secado con nitrógeno.
3. Capa sacrificial: solución PVA 10 % centrifugada en oblea Si 4'', secado 75 °C 30 min.
4. Plantilla de guía de onda: dos ranuras Si 855 nm sobre capa PVA, misma orientación, ranuras hacia arriba, distancia controlada.
5. Recubrimiento PDMS sin curar: mezcla PDMS:agente curante 10:1, agitación, desgasificación al vacío 10 min, centrifugado sobre plantilla.
6. Separación: inmersión en agua 10 h para disolver PVA, retirada de guía de onda de plantillas de silicio (Fig. 4).

El tamaño es ajustable: reduciendo plantilla Si o distancia de capa de transmisión. Las imágenes AFM (Fig. 5) confirman transferencia consistente de estructura nanométrica de plantilla Si a sustrato PDMS, validando el método.

Resultados y discusión

Plataforma de detección

Se construyó una plataforma experimental (Fig. 6a) con: 1) Láser 632,8 nm; 2) Dispositivo de ajuste de posición/ángulo; 3) Dispositivo de medición de tracción (calibre Vernier); 4) Fotodetector PM100D (Thorlabs, 500 nW–500 mW). La precisión de deformación alcanza 0,1 % (precisión calibre 0,02 mm), resolución fotodiodo 10 pW. La guía de onda fabricada (Fig. 6b) muestra área colorida (entrada/salida, por difracción) y área transparente central (transmisión).

Experimentos de detección táctil

Presión y deformación son magnitudes clave en sensores táctiles robóticos. Método de prueba: haz estable incidente en ángulo fijo, fotodetector en salida. Fuerza externa deforma la guía, atenuando intensidad de salida; analizándola se mide la fuerza. Deformación externa también se mide por variación de intensidad.

Prueba de presión: Guía fijada por cabezales deslizantes de calibre, láser 632,8 nm acoplado en ángulo óptimo. Medidor de presión aplica carga gradual en región central, registrando presión e intensidad. Resultados (Fig. 7a): intensidad de salida disminuye linealmente con presión aumentada. Rango detección: 0–25 × 10⁻³ N.

Prueba de deformación: Guía pre-estirada para estado horizontal, longitud inicial L₀ registrada. Estiramiento por mecanismo de sujeción, longitud final L, deformación S = (L-L₀)/L₀ (Ec. 4). Resultados (Fig. 7b): intensidad óptica disminuye gradualmente con deformación aumentada, correlación lineal. Rango detección: 0–12,5 %, precisión 0,1 %.

Tiempo de respuesta: 40 ms (limitado por detector 25 Hz, retraso luz en PDMS despreciable). Estabilidad cíclica: >3000 ciclos carga/descarga. Con PDMS+PAAm: >30 000 ciclos.

Desafíos actuales: materiales ópticos transparentes y flexibles limitados; necesidad de tecnologías de fabricación para prototipado rápido de micro/nanoestructuras. Pérdidas de guía aumentan con PDMS como capa núcleo. Futuros materiales (celulosa, poliuretano, etc.) podrían mejorar la estructura.

Conclusiones

Las guías de onda flexibles y elásticas son aptas para detección táctil, salud y electrónica flexible. Fabricadas en materiales ópticos flexibles con plantilla de ranura de silicio, la estructura nanométrica se transfiere por moldeo por réplica. Ventajas: prototipado rápido, bajo coste, fácil fabricación. Tecnología óptima desarrollada combinando: preparación capa sacrificial, plantilla ranura Si, tratamiento hidrofóbico, preparación material flexible. Rangos: deformación 0–12,5 %, fuerza 0–23 × 10⁻³ N. Comparadas con guías rígidas: flexibilidad, elasticidad, adaptación a superficies curvas. PDMS mejora propiedades de tracción >50 %. Dispositivo aprovecha elasticidad y flexibilidad, midiendo cambios en potencia óptica de salida causados por magnitudes físicas externas.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están disponibles sin restricciones.

Abreviaturas

IPA:

Alcohol isopropílico

Agua DI:

Agua desionizada

FDTD:

Diferencias finitas en el dominio temporal

PDMS:

Polidimetilsiloxano