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(lái)成一種可以檢測(cè)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(jī)器人系統(tǒng)和XR等領(lǐng)域，并為其提供人類(lèi)在自然界生存所依賴(lài)的豐富觸覺(jué)感受。名為“StretchableDistributedFiber-OpticSensors(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(cè)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(gè)項(xiàng)目是以工程學(xué)院機(jī)械與航空航天工程副教授羅博·謝菲爾德(RobShepherd)的有機(jī)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室(OrganicRoboticsLab)在2016年制造的可伸縮傳感器作為基礎(chǔ)。其中，光通過(guò)光導(dǎo)纖維發(fā)送，而光電二極管則檢測(cè)光束強(qiáng)度的變化，從而確定材料何時(shí)變形。在那之后，這個(gè)謝菲爾德的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了多種類(lèi)似的感官材料，如光學(xué)蕾絲和泡沫。

  對(duì)于本文介紹的新項(xiàng)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(shuō)明，基于二氧化硅的分布式光線傳感器可以檢測(cè)微小的波長(zhǎng)偏移，可作為識(shí)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(lái)了自身的結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)。

  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(shí)會(huì)出現(xiàn)大量的變形。我們需要一種可以將其分離開(kāi)來(lái)的傳感器?！?

  團(tuán)隊(duì)的解決方案是開(kāi)發(fā)一種可伸縮的多模式傳感光波導(dǎo)(StretchableLightguideforMultimodalSensing;SLIMS)。這種波導(dǎo)包含一對(duì)聚氨酯彈性體芯。一個(gè)體芯為透明;另一個(gè)則在多個(gè)位置填充吸收染料，并連接到一個(gè)LED。每一個(gè)體芯都與一個(gè)紅綠藍(lán)傳感器芯片相接，以記錄光路中的幾何變化。

  雙芯設(shè)計(jì)增加了輸出的數(shù)量，而通過(guò)所述輸出，傳感器可以通過(guò)點(diǎn)亮充當(dāng)空間編碼器的染料來(lái)檢測(cè)到一系列的變形，如壓力、彎曲或伸長(zhǎng)。研究人員同時(shí)將這項(xiàng)技術(shù)與一個(gè)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(cè)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(jiǎn)單，而且更容易集成到小型系統(tǒng)中。

  康奈爾大學(xué)有機(jī)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種3D打印手套，內(nèi)嵌能夠利用光線實(shí)時(shí)檢測(cè)一系列變形的可伸縮光纖傳感器。

  這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于可穿戴領(lǐng)域。研究人員設(shè)計(jì)了一種3D打印手套，其中每個(gè)手指都包含一個(gè)SLIMS傳感器。所述手套由鋰電池供電，并配有藍(lán)牙，所以它可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)可以實(shí)時(shí)重建手套運(yùn)動(dòng)和變形的軟件中。

  謝菲爾德指出：“現(xiàn)在，感知主要是通過(guò)視覺(jué)完成。在現(xiàn)實(shí)生活中，我們幾乎從不測(cè)量觸覺(jué)。這種皮膚是一種允許我們自己和機(jī)器能夠測(cè)量觸覺(jué)交互的方式，就像我們現(xiàn)在使用智能手機(jī)的攝像頭一樣。它用視覺(jué)來(lái)測(cè)量觸覺(jué)。以可伸縮方式實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是最方便、最實(shí)用的方法?！?

  研究人員同時(shí)在研究SLIMS傳感器能夠如何提升虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

  謝菲爾德說(shuō)道：“VR和AR沉浸感是基于運(yùn)動(dòng)捕捉。觸感幾乎不存在。假設(shè)你需要一個(gè)教導(dǎo)你如何修理汽車(chē)或更換輪胎的AR模擬，如果你有一只手套或其他可以測(cè)量壓力和運(yùn)動(dòng)的愿隨，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)就可以說(shuō)‘?dāng)Q一下然后停下來(lái)，這樣你就不會(huì)把螺母擰得太緊了?！F(xiàn)在還沒(méi)有什么能做到這一點(diǎn)，但它是一條實(shí)現(xiàn)所述目標(biāo)的途徑?！?

  這項(xiàng)研究得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室、康奈爾技術(shù)加速和成熟項(xiàng)目、美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)家食品和農(nóng)業(yè)研究所、以及美國(guó)海軍研究所的支持。

  研究人員同時(shí)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(gè)機(jī)構(gòu)都得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。

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