康奈爾大學用可伸縮分布式光纖傳感器研製低成本觸覺手套

2020-11-22 RFID世界網

康奈爾大學的研究人員日前發明了一種結合低成本發光二極體和染料的光纖傳感器，並帶來成一種可以檢測壓力、彎曲和應變等變形的可伸縮「皮膚」。這種傳感器可以用於機器人系統和XR等領域，並為其提供人類在自然界生存所依賴的豐富觸覺感受。

名為「Stretchable Distributed Fiber-Optic Sensors(可伸縮分布式光纖傳感器)」的論文已經發表在《科學》期刊。



SLIMS傳感器能夠檢測諸如壓力、彎曲和應變等變形，並精確它們的位置和大小。

這個項目是以工程學院機械與航空航天工程副教授羅博·謝菲爾德(Rob Shepherd)的有機機器人實驗室(Organic Robotics Lab)在2016年製造的可伸縮傳感器作為基礎。其中，光通過光導纖維發送，而光電二極體則檢測光束強度的變化，從而確定材料何時變形。在那之後，這個謝菲爾德的實驗室開發了多種類似的感官材料，如光學蕾絲和泡沫。

對於本文介紹的新項目，研究人員借鑑了基於二氧化矽的分布式光纖傳感器。作為說明，基於二氧化矽的分布式光線傳感器可以檢測微小的波長偏移，可作為識別多種特性的方法，如溼度、溫度和應變的變化。但是，二氧化矽分線不兼容柔性和可拉伸的電子產品。另外，智能柔性系統同樣帶來了自身的結構性挑戰。

研究小組表示：「我們知道柔性物質可以以一種非常複雜的、組合的方式變形，而且同時會出現大量的變形。我們需要一種可以將其分離開來的傳感器。」

團隊的解決方案是開發一種可伸縮的多模式傳感光波導(Stretchable Lightguide for Multimodal Sensing;SLIMS)。這種波導包含一對聚氨酯彈性體芯。一個體芯為透明;另一個則在多個位置填充吸收染料，並連接到一個LED。每一個體芯都與一個紅綠藍傳感器晶片相接，以記錄光路中的幾何變化。

雙芯設計增加了輸出的數量，而通過所述輸出，傳感器可以通過點亮充當空間編碼器的染料來檢測到一系列的變形，如壓力、彎曲或伸長。研究人員同時將這項技術與一個可以解耦或分離不同變形並精確其位置和大小的數學模型相結合。

分布式光纖傳感器需要高解析度的檢測組件，而SLIMS傳感器可以採用解析度較低的小型光電器件。所以它們成本更低，製造更簡單，而且更容易集成到小型系統中。



康奈爾大學有機機器人實驗室設計了一種3D列印手套，內嵌能夠利用光線實時檢測一系列變形的可伸縮光纖傳感器。

這項技術可以應用於可穿戴領域。研究人員設計了一種3D列印手套，其中每個手指都包含一個SLIMS傳感器。所述手套由鋰電池供電，並配有藍牙，所以它可以將數據傳輸到一個可以實時重建手套運動和變形的軟體中。

謝菲爾德指出：「現在，感知主要是通過視覺完成。在現實生活中，我們幾乎從不測量觸覺。這種皮膚是一種允許我們自己和機器能夠測量觸覺交互的方式，就像我們現在使用智慧型手機的攝像頭一樣。它用視覺來測量觸覺。以可伸縮方式實現這一目標是最方便、最實用的方法。」

研究人員同時在研究SLIMS傳感器能夠如何提升虛擬實境和增強現實體驗。

謝菲爾德說道：「VR和AR沉浸感是基於運動捕捉。觸感幾乎不存在。假設你需要一個教導你如何修理汽車或更換輪胎的AR模擬，如果你有一隻手套或其他可以測量壓力和運動的願隨，增強現實可視化技術就可以說『擰一下然後停下來，這樣你就不會把螺母擰得太緊了。』現在還沒有什麼能做到這一點，但它是一條實現所述目標的途徑。」

這項研究得到了美國國家科學基金會、美國空軍科學研究辦公室、康奈爾技術加速和成熟項目、美國農業部國家食品和農業研究所、以及美國海軍研究所的支持。

研究人員同時利用了康奈爾納米科技設施和康奈爾材料研究中心，而這兩個機構都得到了美國國家科學基金會的支持。

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