康奈爾大學研發基於二氧化矽的可拉伸光纖傳感器

2021-01-07 RFID世界網

科研摘要

基於二氧化矽的分布式光纖傳感器（DFOS）系統已經成為檢測不可擴展結構中的應變，壓力，振動，加速度，溫度和溼度的強大工具。但是，DFOS系統與與軟機器人和可伸縮電子設備相關的大型應變不兼容。康奈爾大學華人學者Hedan Bai，Shuo Li和Robert F. Shepherd教授團隊開發了一種由彈性體光導的平行組件組成的傳感器，其中包含連續或離散的彩色圖案。通過綜合利用內部反射和吸收，可拉伸的DFOS可以區分和測量機械變形的位置，大小和模式（拉伸，彎曲或壓制）。進一步展示了通過可伸縮DFOS集成的無線手套進行的多位置解耦和多模式變形解耦，該手套可以同時重新配置所有類型的手指關節動作和外部按壓，而僅需一個傳感器即可實時進行。刊發相關題為『『Stretchable distributed fiber-optic sensors』』的論文在11月《Science》上。

圖文解析

作者提出了一種多功能可拉伸光機械傳感器，將其稱為可拉伸DFOS，其靈感來自基於二氧化矽的DFOS。可拉伸的DFOS系統是具有嵌入式彩色圖案的彈性光導的並行組件。作者設計了兩種彩色染料圖案，作為兩種傳統DFOS的類比：（i）連續梯度染料圖案，可以獲得單模變形的連續空間解析度；（ii）離散的色塊圖案，可以用離散的空間解析度測量和解耦多種變形模式。為了演示可拉伸DFOS的多功能性，該工作重點是採用離散色塊圖案進行設計，將其命名為可拉伸的多模態傳感光導（SLIMS）。

圖1 A和B顯示了SLIMS的結構，該導光板由兩個聚氨酯彈性體芯（一個在四個離散位置摻雜有吸收染料的染色芯和一個不帶染料的透明芯）組成，該芯被有機矽包層隔開。白色發光二極體（LED）的一端耦合到染色芯。在另一端放置了兩個紅綠藍（RGB）傳感器晶片，一個耦合到染色的核心，一個耦合到透明的核心。光機械傳感方法基於SLIMS中光傳播的光路中由變形引起的幾何變化。彩色染料通過吸收光的變化來提供波長選擇調製。雙芯結構允許沮喪的全內反射（TIR）。通過觀察兩個核心的色度和強度輸出，可以確定變形的位置，大小和模式（圖1C和視頻1）。

圖1 SLIMS。（A）打結的SLIMS圖像。（B）SLIMS的示意圖，顯示了不連續的染色區域，側線芯的設計及其與光源和顏色傳感器的耦合。（C）SLIMS未變形，拉伸，彎曲和受壓時的光學輸出和射線圖。

由於光導的橫截面為毫米級，可見光（波長<700 nm）的波特性變得不重要。安裝在染色芯輸入上的白色LED的視角為110°，因此來自同一LED的光線也可以進入透明芯。摻雜的染料充當空間信息的顏色代碼。因為染料圖案的深度僅等於染色芯高的一小部分（在這種情況下為?），所以很少有光線可以以未變形的形態穿過染料。當未變形時，兩個內核均具有白色輸出。

當染色區域被拉伸時（射線圖：見圖1C，被拉伸），該區域中的光路長度增加，引起染料更多的吸收，並且輸出光朝著相應的顏色變化。根據比爾-蘭伯特定律，由於拉伸會增加兩個核心的光路，因此兩個核心的光輸出強度都會降低。SLIMS的表徵表明，隨著任何單個染色區域的拉伸，在透明核中未觀察到色度變化（圖2A），而色度隨增加而變化在染色芯中觀察到飽和（圖2D）。兩個磁芯的輸出強度都以對數刻度線性衰減（圖2，G和J）。根據染色芯的衰減，SLIMS的應變靈敏度在150％的範圍內落在2至5 dBε-1（其中ε為應變）內伸長。以0.5毫米的預應變獲得了0.1毫米的解析度（1％應變）。經發現，預拉伸可以提高傳感器的解析度，這與拉伸表徵結果一致（圖2J）。注意當拉伸黃綠色區域（YG）時的非線性強度響應（圖2G）。

圖2 SLIMS在不同變形模式下的表徵。當SLIMS在染色區域中被（A）拉伸，（B）彎曲或（C）壓制時，透明核的色度響應。當SLIMS被（D）拉伸，（E）彎曲或（F）壓在染色區域時，染色芯的色度響應。當SLIMS被（G）拉伸，（H）彎曲或（I）壓在染色區域時，透明芯的強度響應。當SLIMS被（J）拉伸，（K）彎曲或（L）壓在染色區域時，染色芯的強度響應。

當染色區域處於彎曲狀態（圖1C，彎曲）時，染色核心中的大多數光線都可以穿過染料，從而導致輸出顏色發生變化。某些不能滿足臨界角的彩色光線會從染色的核中逸出並進入透明的核中。但是，這些光線無法耦合到透明纖芯。因此，透明芯仍然輸出白光。四個染色區域中的每一個彎曲到最大κ= 0.65 cm-1的曲率，作者測量了兩個芯的色度和強度響應（圖2，B，E，H和K）。色度圖表明，彎曲時的顏色響應與拉伸響應類似：透明的芯輸出保持白色，而染色的芯輸出朝著彎曲的染料區域改變其顏色（圖2，B和E）。拉伸和彎曲之間的區別可以通過比較透明芯的強度輸出來實現，因為強度在彎曲中基本不受影響（圖2H），而在拉伸中則顯著衰減。利用染色芯的衰減（圖2K），SLIMS的彎曲靈敏度計算為7至24 dB·cm-1。

作者將SLIMS集成到3D列印的柔軟手套中，每個手指僅使用一個定製的SLIMS，該SLIMS可以同時捕獲三個手指關節的本體感覺和外部按壓的外部感覺。手指的近端，中部和遠端分別被離散的紅色，藍色和綠色染料覆蓋（圖3A）。　

圖3 SLIMS集成的軟手套和多關節彎曲的本體感覺。（A）帶有LED光源和電子模塊的SLIMS集成式柔軟手套的圖像。（B）在五個不同的多接頭彎曲配置下，兩個芯的實時歸一化強度數據。（C）用於多關節彎曲解耦的矢量和模型。（D）單接頭彎曲測量。（E）兩節彎曲測量。（F）三關節彎曲測量。（G）使用我們得出的矢量和模型實時重建多關節彎曲。

對於本體感受，首先從食指以不同關節角度組合彎曲時從兩個核心收集RGB強度的原始數據（圖3B）。當近端或中間關節只有一個彎曲（很難僅彎曲遠端關節）時，染色芯會立即從白色變為紅色或藍色。可以確定該彎曲的位置和角度。但是，當多個折彎共存時，作者觀察到了來自折彎區域的顏色混合。因此，需要建立一個數學模型，以消除融合在色度和強度響應方面的差異（圖3C）。當僅彎曲單個關節時，首先在SLIMS中測量染色的芯響應，然後對所有三個關節重複此測量。為了分離強度和色度響應，作者將RGB強度輸出轉換為CIE xyY顏色空間（圖3D）。圖3G和視頻4顯示，手套實時執行三個手指關節運動的解耦和重建。

圖4 SLIMS集成的軟手套去耦結合了本體感受和外在感受。（A）在0到30 s內，在不同接縫上彎曲和加壓時，兩個纖芯的實時歸一化RGB強度。壓力檢測的閾值由灰色框表示。（B）在0到30 s的相同變形下，從歸一化RGB強度得出的實時色相值。彩色框顯示確定按下的關節的色相值。（C）結合本體感覺和外部感覺的實時重建。

對於同時進行的外在感受，通過設置透明芯的歸一化強度輸出的閾值來實現外部按壓與彎曲的解耦（圖4A）。僅在彎曲（0至10 s）的情況下，強度會略有衰減；當在不同關節上多次按壓SLIMS（10至30 s）時，它會跳躍。將此閾值設置在0.75到1.0的範圍內。當歸一化強度超過此範圍時，可以確定壓力機的存在。為了簡化色度的表示，從透明核心輸出的RGB強度中提取了色相值（圖4B）。色調表示使能夠定位被按下的區域。壓制期間施加的力的大小也與此色度值定性地成比例。當食指在多個位置彎曲時，能夠實時重建外部壓力機的位置和大小（圖4C）。

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