MIT : une feuille souple à fibres optiques reconstitue sa forme en 3D, erreur sous 0,4 cm

Des ingénieurs du MIT ont conçu une feuille souple capable de reconstituer en trois dimensions sa propre forme quand on la plie ou la tord. D’après le communiqué de MIT News, repris par Tech Xplore et Mirage News, le dispositif remplace les capteurs rigides des combinaisons de capture de mouvement par de fines fibres optiques en caoutchouc. Les résultats paraissent dans la revue Advanced Intelligent Systems, sous la signature de Qifan Yu, doctorant en génie mécanique, de Nina Cao et de Kaitlyn Becker, professeure assistante au même département.

Pourquoi se passer de capteurs rigides

Dans une combinaison de capture de mouvement, des capteurs durs sont cousus à des endroits précis du tissu pour suivre les gestes d’une personne et les reproduire sur un avatar. L’équipe du MIT a choisi une autre voie : plusieurs fibres optiques souples serpentent en zigzag à l’intérieur d’une feuille de silicone extensible. Qifan Yu explique que l’objectif est d’obtenir des surfaces entièrement souples et élastiques, potentiellement plus sûres au contact d’une personne ou d’un milieu mou.

L’idée prolonge un usage connu des fibres optiques. Plus une fibre se courbe, moins de lumière atteint son autre extrémité, ce qui permet de mesurer une courbure simple. Selon le doctorant, ce principe servait jusqu’ici à suivre la forme d’une ligne, par exemple celle d’un bras de robot, mais pas à reconstruire la forme d’une surface entière.

Des fibres rugueuses d’un seul côté

Les chercheurs fabriquent eux-mêmes leurs fibres. Au lieu du verre, le cœur est en caoutchouc transparent, entouré d’une gaine du même matériau teintée en noir pour garder la lumière à l’intérieur. Ils ont de plus rendu rugueuse une seule face du cœur. Quand la fibre se courbe vers cette face, la lumière se diffuse autrement que lorsqu’elle se courbe vers la face lisse : la fibre devient ainsi un capteur sensible aux deux sens de pliage.

Pour choisir la disposition des fibres, l’équipe a simulé plusieurs motifs, du damier aux zigzags croisés, en pliant et en tordant virtuellement la feuille. Un espacement précis de fibres en zigzag s’est montré le plus proche de la forme d’origine. Le prototype reprend ce motif : chaque fibre reçoit une LED à un bout et un capteur de lumière à l’autre, reliés à une carte électronique externe qui collecte et amplifie les mesures.

Un algorithme qui traduit la lumière en forme

Les variations de lumière sont converties en estimation de la courbure de chaque fibre, puis assemblées par un algorithme en une image numérique de la feuille entière. Lors des essais, ce jumeau virtuel a suivi les déformations imposées par les chercheurs presque en temps réel, y compris lorsque la feuille était pliée en diagonale puis dans la direction inverse.

Une erreur sous 0,4 cm

Pour chiffrer la précision, l’équipe a posé la feuille sur différents moules imprimés en 3D, puis a mesuré la distance entre la surface réelle et la surface reconstruite. L’erreur est restée inférieure à 0,4 centimètre. Selon Qifan Yu, les conceptions existantes fondées sur des capteurs rigides affichent plutôt des écarts de 1 à 2 centimètres, ce qu’il juge honorable et au moins comparable aux technologies actuelles.

Jeu vidéo, téléopération, rééducation : des pistes encore à l’étude

Les usages décrits par l’équipe restent des perspectives : les expériences rapportées portent sur des déformations réalisées en laboratoire et sur des moules, pas sur des patients. L’équipe imagine un vêtement souple pour piloter un personnage de jeu vidéo ou un robot téléopéré, ou encore une bande enroulée autour d’une jambe ou d’un bras pour enregistrer la mobilité d’un patient pendant chaque séance de kinésithérapie.

Qifan Yu rappelle qu’en rééducation, il faut souvent recueillir des données sur la façon dont le patient bouge et étire son bras, et que la mesure de la forme d’une surface pourrait y être utile. Kaitlyn Becker souhaite pour sa part des outils qui prolongent le travail d’un kinésithérapeute, en l’aidant à suivre et à chiffrer les progrès dans la durée, par exemple pour comparer précisément un bilan d’aujourd’hui à celui d’il y a deux mois.

La prochaine étape consiste à amincir la feuille. Les fibres actuelles mesurent 1 millimètre d’épaisseur ; d’autres procédés de fabrication pourraient les réduire à quelques dizaines de micromètres, parfois moins qu’un cheveu. L’équipe veut ensuite intégrer beaucoup plus de fibres dans un vêtement afin de détecter des changements de forme plus fins. La recherche a été soutenue en partie par MathWorks.

Photo à la une. Source : Wikimedia Commons. Photographe : Sunmosk. Licence : CC BY 4.0.