Science正刊!康奈爾大學華人學者研發新型柔性光纖傳感器

2020-12-15 機器人大講堂

導讀

柔軟而富有彈性的傳感器可以和人體更好地貼合，從而大幅提升穿戴舒適感，在軟體機器人和可穿戴設備領域都有很大的應用價值。近日，來自於康奈爾大學的研究者們研發了一款超柔軟的可拉伸光纖傳感器，稱之為」可拉伸多模式光導傳感器」（Stretchablelightguide for multimodal sensing, SLIMS），SLIMS由價格低廉的彈性材料，LED燈和染色劑製成。SLIMS可以做成「柔性皮膚」穿在手上，僅僅一根SLIMS就可以同時檢測手指不同關節的彎曲和壓力情況。SLIMS傳感器可以讓軟體機器人，以及柔性可穿戴設備獲得更加真實和靈敏的反饋。該研究成果於近日發表於《科學》Science雜誌，值得一提的是，文章兩位共一作者均是華人學者。

圖1. 《Science》刊出「可拉伸分布式光纖傳感器」

新型柔性光纖傳感器

隨著軟體機器人和新材料技術的不斷發展，柔性傳感器被科學家們廣泛研發和使用，並且開始逐漸走入大眾的生活。相比於傳統的「硬質」傳感器，柔性傳感器「生來」柔軟輕便，特別適合於可穿戴設備，具體來說，在醫療康復，運動指導，以及VR、AR遊戲等領域都有很大的應用前景。一個典型的例子就是科幻電影「頭號玩家」中主角在進入虛擬世界時穿著的具有「動作捕捉」功能的貼身遊戲服裝。

圖2. 電影頭號玩家中的VR專用服裝

為了實現「柔軟」的特性，現有幾種新型的柔性傳感器大多基於矽膠等彈性體作為載體進行製作，因矽膠具有良好的彈性和延展性。常見的有基於液態金屬，基於柔性導電聚合物，以及基於光纖原理這三種。

圖3. 常見的柔性傳感器

相比於液態金屬傳感器和導電聚合物傳感器，彈性光纖傳感器具有易於加工，低遲滯，高精度等特點。來自於康奈爾大學「有機體機器人實驗室」Organic Robotics Lab的Robert F. Shepherd教授於2016年在Science Robotics提出的彈性光纖傳感器（文章一作現為清華大學助理教授趙慧嬋博士，文末附有文章信息）。彈性光纖傳感器的利用了光路在傳播過程中的損耗來檢測彈性體變形，其中內層使用高折射率的材料，外層使用低折射率的材料，在光纖的一側裝配LED，另一側裝配光電二極體。通過檢測輸出光信號的強弱變化，即可檢測諸如拉伸，彎曲和壓縮等形變。

圖4. 2016年發表於Science Robotics的彈性光纖傳感器

基於之前的研究，Robert F. Shepherd教授的研究團隊近日在Science正刊上發表了一篇題為《可拉伸的分布式光纖傳感器》（Stretchable distributed fiber-opticsensors），值得注意的是，文章的兩位共一作者均為華人學者（Hedan Bai & Shuo Li）。

上一代彈性光纖傳感器只可以檢測單一信號，新一代的光纖傳感器最大的亮點就是極大的豐富了傳感器的檢測能力，即「只需要一根，通過對於顏色信息的分析解耦，就實現了傳感器上不同位置的形變檢測，以及可以同時檢測出傳感器拉伸和受壓情況，極大的提升了彈性光纖傳感器的性能」。（文末附有文章信息）

圖5. 新型的多模式彈性光纖傳感器

研究者設計了一種極具彈性的「多模式傳感光導纖維，簡稱SLIMS」。相比上一代的單根內芯，新型光纖包含了兩根聚氨酯彈性內芯，一根為透明，另一根在多個不同的位置進行染色（紅，綠，藍）。每一個內芯的一側和LED相連，另一側和RGB顏色傳感器相連（檢測彈性光路的形變）。當染色區域發生形變時，輸出的白色LED光會相應的變為對應變形區域的顏色。

這種雙內芯加區域染色的設計，極大地增加了輸出信號的豐富程度，通過建模分析解耦，讓傳感器能夠檢測彈性光纖不同位置以及不同模式的變形。

根據研究者的展示，一根SLIMS傳感器可以實時檢測施加於不同染色區域的拉伸，彎曲，以及受壓的情況。

圖6. 根絕顏色變化判斷拉伸位置

圖7. 根據顏色變化判斷彎曲位置

圖8. 根據顏色變化判斷受壓位置

為了更好地展示新型傳感器的用途，研究者將SLIMS傳感器集成到一個3d列印的柔性手套上，如下圖所示。每根手指僅用了一個定製的SLIMS傳感器來感應手指的三個關節的運動，以及外部對手指施加的壓力等。具體來說，手指的近端，中部，和遠端關節分別由紅，藍和綠三種顏料染色。其餘的手套部件包括顏色傳感器，以及一個用於信號收發的無線電路模塊。整個手套柔軟舒適而輕便。

圖9. 集成多根SLIMS傳感器的智能手套

研究者在電腦中構建了虛擬的人手模型用來跟蹤顯示手部動作，即手套使用者每做一個手部動作，電腦中的虛擬人手就會實時做出相應的動作。下圖展示了一根手指的三根關節逐步彎曲的情況。

圖10. 智能手套感知手指的彎曲

通過對於多重信號的解析，柔性手套不僅僅可以檢測手指的彎曲，同時還可以在彎曲的時候檢測手指受到外界的壓力，展示如下圖，僅僅通過一根彈性光纖傳感器，就可以實現如此強大的傳感功能，相信這也是該研究能發表於Science期刊的原因之一吧！

圖11. 同時感應彎曲和壓力（解耦）

柔性光纖傳感器SLIMS的原理

這一部分向大家簡單介紹SLIMS傳感器的設計和原理。

SLIMS光纖內部有兩條不同的聚氨酯材料做成的彈性體內芯，一個內芯在不同位置被染以不同的顏色，另一個完全透明，兩個內芯中間被隔開。一個白色LED從染色內芯給一個輸入信號，在傳感器的另一側，有兩個紅綠藍傳感器，分別檢測染色內芯和透明內芯的信號。

圖13. SLIMS傳感器的初始狀態和拉伸狀態光路圖

圖14. SLIMS傳感器的彎曲狀態和受壓狀態光路圖

當SLIMS光纖不變形時，兩個內芯均為白色。當染色區域被拉伸時，光路長度增加，從而更多的光線被染色區域吸收，輸出的光線信號向相應區域的顏色發生變化。當染色區域彎曲時，大多數光線都會穿過染色區域，從而導致輸出顏色發生變化。拉伸和彎曲時，輸出光線的顏色變化相似，透明的內芯保持白色，而染色芯則輸出相應區域的顏色。

圖15. 不同變形模式下SLIMS被拉伸，彎曲和受壓時色度

對於單個區域的變形來說，信號的檢測相對較為容易，但是當多個區域變形共存時，不同區域的顏色會產生混合。為了能夠檢測較為複雜的變形，研究者建立了不同顏色（RGB）混合時的數學模型，從而可以精確判斷多處傳感器變形的情況。

圖16. 不同變形模式下SLIMS被拉伸，彎曲和受壓時色度

基於研究者建立的數學模型，當使用智能傳感手套時，通過對於測得的顏色進行分析和解耦合，便可以得到手指每個關節處的變形情況。

圖17. 手指彎曲後不同位置受壓時信號變化情況

對於手指同時彎曲和受壓的變形來說，當手指僅僅彎曲時，輸出光強度會略微衰減。這時當各個關節上進行按壓時，光線強度信號會猛然增加，當信號超過某一強度，便可以判斷哪個位置受壓。

未來展望

由於SLIMS光纖傳感器富有彈性，它們可以用於製造智能服裝、可穿戴設備和軟體機器人。研究團隊希望將SLIMS傳感器應用於體育和醫療領域，具體來說，他們打算在明年使用這些可拉伸的光纖測量呼吸和肌肉收縮，或者是用於檢測運動員在運動過程中的姿態是否標準等。

目前而言，SLIMS傳感器僅僅可以檢測三個區域的變形情況，主要受限於RGB三色傳感器。如果有更高解析度的顏色傳感器，則可以解析更多的染色區域，更靈敏的檢測SLIMS傳感器的變形，另外，SLIMS傳感器的尺寸也可以進一步被縮小。

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