با الهام از کرم شب‌تاب؛ حسگر فیبری که کابل‌های نوری را به شبکه‌های هوشمند تبدیل می‌کند

پژوهشگران با الهام از سازوکار نورافشانی کرم‌های شب‌تاب، نوعی حسگر فیبری نوآورانه طراحی کرده‌اند که می‌تواند کابل‌های نوری معمولی را به شبکه‌ای هوشمند برای پایش محیط تبدیل کند. این فناوری که ESOT FiSensor نام دارد، قادر است چندین پارامتر فیزیکی مانند ارتعاش، فشار، دما و کرنش را به‌طور همزمان اندازه‌گیری کرده و اطلاعات را در قالب سیگنال‌های نوری از فواصل طولانی منتقل کند؛ آن هم بدون اینکه تحت تأثیر تداخل الکترومغناطیسی قرار گیرد.

 تبدیل فیبر نوری به یک سیستم حسگری پیشرفته

فیبرهای نوری امروزه ستون اصلی زیرساخت‌های ارتباطی جهان هستند و حجم عظیمی از داده‌ها را جابه‌جا می‌کنند. با این حال، استفاده از آن‌ها برای حسگری همزمان چندین پارامتر همیشه چالش‌برانگیز بوده است. اغلب حسگرهای فیبر نوری تنها قادر به تشخیص یک یا دو کمیت فیزیکی هستند و برای عملکرد صحیح به تجهیزات پیچیده نیاز دارند. از طرف دیگر، حسگرهای الکتریکی سنتی هنگام انتقال سیگنال در مسیرهای طولانی یا در محیط‌های پر از نویز الکترومغناطیسی دچار افت کیفیت می‌شوند.

فناوری جدید ESOT FiSensor با ترکیب مزایای هر دو رویکرد، این محدودیت‌ها را برطرف کرده است. در این سیستم، سیگنال‌های الکتریکی دریافت‌شده از حسگرهای مختلف مستقیماً روی سطح فیبر به سیگنال‌های نوری تبدیل می‌شوند. این نور سپس از طریق هسته فیبر عبور کرده و بدون افت کیفیت یا تأثیرپذیری از نویز به مقصد می‌رسد.

 فناوری چاپ فوق‌دقیق روی فیبر

راز اصلی این نوآوری در مدارهای الکترونیکی چاپ‌شده روی سطح فیبر نهفته است. محققان با استفاده از فناوری چاپ الکتروهیدرودینامیک توانسته‌اند مدارهای رسانای بسیار ظریف را روی سطح منحنی فیبرهای پلیمری ایجاد کنند؛ حتی روی فیبرهایی که قطر آن‌ها تنها در حد موی انسان است.

دقت این روش به حدود ۲۶۰ نانومتر می‌رسد که برای چنین سطح کوچکی بی‌سابقه محسوب می‌شود. پس از چاپ مدارها، تراشه‌های کوچک μLED روی فیبر نصب می‌شوند. زمانی که حسگرها تغییراتی مانند فشار یا دما را تشخیص می‌دهند، مدار الکتریکی مربوطه فعال شده و μLEDها را روشن می‌کند. هر LED نوری با طول موج متفاوت تولید می‌کند و این سیگنال‌های رنگی از طریق همان فیبر منتقل شده و در انتها توسط طیف‌سنج تحلیل می‌شوند.

 عملکرد پایدار حتی در شرایط سخت

نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد این سیستم عملکرد بسیار قابل‌اعتمادی دارد. حتی پس از انتقال سیگنال در طول ۵۰ متر فیبر نوری، بیش از ۹۰ درصد حساسیت اولیه حفظ می‌شود. در حالی که حسگرهای الکتریکی معمولی در همین فاصله حدود ۲۰ درصد افت عملکرد دارند.

همچنین زمانی که سیستم در معرض تداخل الکترومغناطیسی با فرکانس ۲۰ هرتز قرار گرفت، حسگرهای الکتریکی دچار ناپایداری شدند؛ اما ESOT FiSensor همچنان سیگنال‌های دقیق و پایدار ارسال کرد.

 کاربردهای واقعی از هوافضا تا رباتیک

محققان این فناوری را در چند سناریوی عملی آزمایش کردند:

– پایش ماشین در حال حرکت: حسگر توانست به‌طور همزمان ارتعاش و تغییرات دما را ثبت کند.

– نظارت بر بال هواپیما: آرایه‌ای از حسگرهای دما روی مدل بال نصب شد و تغییرات حرارتی در طول یک فیبر ۵۰ متری با دقت بالا ثبت شد؛ قابلیتی مهم برای پایش سلامت سازه‌های هوافضا.

– نسخه پوشیدنی برای تشخیص حرکت دست: این سیستم توانست ۱۰ حرکت مختلف دست را با دقت ۹۸.۱۵ درصد تشخیص دهد و در زمان واقعی یک دست رباتیک را کنترل کند.

 گامی به سوی شبکه‌های حسگر در مقیاس جهانی

از آنجا که مدارها مستقیماً روی فیبر چاپ می‌شوند، این فناوری بسیار سبک، انعطاف‌پذیر و قابل‌گسترش است. به همین دلیل می‌توان آن را به‌راحتی در شبکه‌های فیبر نوری موجود ادغام کرد. پژوهشگران معتقدند در آینده این فناوری می‌تواند میلیاردها کیلومتر کابل فیبر نوری موجود را از یک زیرساخت ارتباطی ساده به یک شبکه حسگر گسترده برای شهرهای هوشمند، خودروهای خودران، پایش زیر دریا و صنایع سنگین تبدیل کند.