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电气工程与系统科学 > 信号处理

arXiv:2506.22472 (eess)
[提交于 2025年6月20日 ]

标题: 基于光波导的蜘蛛网实现稳健的冲击检测与定位

标题: Optical Waveguide-based Spider Web Enables Resilient Impact Detection and Localization

Authors:Dylan Wilson, Marco Pontin, Peter Walters, Perla Maiolino
摘要: 蜘蛛使用它们的网作为多功能工具,能够捕捉和定位猎物,并通过振动进行更广泛的环境感知。 受其生物功能的启发,我们提出了一种仿蜘蛛网的光学波导系统,用于弹性脉冲检测和定位。 该结构由六个透明热塑性聚氨酯(TPU)波导组成,呈放射状排列并通过螺旋TPU线相互连接,模仿圆网蜘蛛的网。 通过耦合的LED和光电二极管测量由振动引起的光传输损耗,从而实现实时检测。 我们系统地表征了单个波导,分析了张力、脉冲位置和断裂角度等关键参数,以优化振动响应。 通过控制实验验证了整个系统,揭示了相邻半径之间振动传递的5毫秒传播延迟,增强了定位能力。 我们展示了一种利用时间延迟分析的鲁棒脉冲检测和定位算法,在传感器故障的情况下也能实现可靠的事件识别。 本研究突显了仿生光学波导结构在自适应传感中的潜力,适用于软体机器人、结构监测和环境传感等领域。
摘要: Spiders use their webs as multifunctional tools that enable capturing and localizing prey and more general environmental sensing through vibrations. Inspired by their biological function, we present a spider web-inspired optical waveguide system for resilient impulse detection and localization. The structure consists of six clear thermoplastic polyurethane (TPU) waveguides arranged radially and interconnected by a spiral TPU thread, mimicking orb spider webs. Light transmission losses, induced by vibrations, are measured via coupled LEDs and photo-diodes, allowing real-time detection. We systematically characterize individual waveguides, analyzing key parameters such as tension, impulse position, and break angle to optimize vibrational response. The complete system is validated through controlled experiments, revealing a 5 ms propagation delay in vibration transfer between adjacent radii, enhancing localization capabilities. We demonstrate a robust impulse detection and localization algorithm leveraging time delay analysis, achieving reliable event identification even in cases of sensor failure. This study highlights the potential of bioinspired optical waveguide structures for adaptive sensing, with applications in soft robotics, structural monitoring, and environmental sensing.
主题: 信号处理 (eess.SP) ; 机器人技术 (cs.RO)
引用方式: arXiv:2506.22472 [eess.SP]
  (或者 arXiv:2506.22472v1 [eess.SP] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.22472
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Marco Pontin [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2025 年 6 月 20 日 12:36:26 UTC (7,951 KB)
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