來源：映維網(wǎng) 作者 廣州客
康奈爾大學(xué)的研究人員日前發(fā)明了一種結(jié)合低成本發(fā)光二極管和染料的光纖傳感器，并帶來成一種可以檢測壓力、彎曲和應(yīng)變等變形的可伸縮“皮膚”。這種傳感器可以用于機器人系統(tǒng)和XR等領(lǐng)域，并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(jīng)發(fā)表在《科學(xué)》期刊。
SLIMS傳感器能夠檢測諸如壓力、彎曲和應(yīng)變等變形，并精確它們的位置和大小。
這個項目是以工程學(xué)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年制造的可伸縮傳感器作為基礎(chǔ)。其中，光通過光導(dǎo)纖維發(fā)送，而光電二極管則檢測光束強度的變化，從而確定材料何時變形。在那之后，這個謝菲爾德的實驗室開發(fā)了多種類似的感官材料，如光學(xué)蕾絲和泡沫。
對于本文介紹的新項目，研究人員借鑒了基于二氧化硅的分布式光纖傳感器。作為說明，基于二氧化硅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，如濕度、溫度和應(yīng)變的變化。但是，二氧化硅分線不兼容柔性和可拉伸的電子產(chǎn)品。另外，智能柔性系統(tǒng)同樣帶來了自身的結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)。
相關(guān)論文：Stretchable distributed fiber-optic sensors
研究小組表示：“我們知道柔性物質(zhì)可以以一種非常復(fù)雜的、組合的方式變形，而且同時會出現(xiàn)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(fā)一種可伸縮的多模式傳感光波導(dǎo)（Stretchable Lightguide for Multimodal Sensing；SLIMS）。這種波導(dǎo)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，并連接到一個LED。每一個體芯都與一個紅綠藍傳感器芯片相接，以記錄光路中的幾何變化。
雙芯設(shè)計增加了輸出的數(shù)量，而通過所述輸出，傳感器可以通過點亮充當(dāng)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(shù)與一個可以解耦或分離不同變形并精確其位置和大小的數(shù)學(xué)模型相結(jié)合。
分布式光纖傳感器需要高分辨率的檢測組件，而SLIMS傳感器可以采用分辨率較低的小型光電器件。所以它們成本更低，制造更簡單，而且更容易集成到小型系統(tǒng)中。
康奈爾大學(xué)有機機器人實驗室設(shè)計了一種3D打印手套，內(nèi)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(shù)可以應(yīng)用于可穿戴領(lǐng)域。研究人員設(shè)計了一種3D打印手套，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，并配有藍牙，所以它可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€可以實時重建手套運動和變形的軟件中。
謝菲爾德指出：“現(xiàn)在，感知主要是通過視覺完成。在現(xiàn)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(xiàn)在使用智能手機的攝像頭一樣。它用視覺來測量觸覺。以可伸縮方式實現(xiàn)這一目標(biāo)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現(xiàn)實和增強現(xiàn)實體驗。
謝菲爾德說道：“VR和AR沉浸感是基于運動捕捉。觸感幾乎不存在。假設(shè)你需要一個教導(dǎo)你如何修理汽車或更換輪胎的AR模擬，如果你有一只手套或其他可以測量壓力和運動的愿隨，增強現(xiàn)實可視化技術(shù)就可以說‘擰一下然后停下來，這樣你就不會把螺母擰得太緊了。’現(xiàn)在還沒有什么能做到這一點，但它是一條實現(xiàn)所述目標(biāo)的途徑。”
這項研究得到了美國國家科學(xué)基金會、美國空軍科學(xué)研究辦公室、康奈爾技術(shù)加速和成熟項目、美國農(nóng)業(yè)部國家食品和農(nóng)業(yè)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(shè)施和康奈爾材料研究中心，而這兩個機構(gòu)都得到了美國國家科學(xué)基金會的支持。
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