中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
康奈爾大學(xué)的研究人員日前發(fā)明了一種結合低成本發(fā)光二極管和染料的光纖傳感器，并帶來(lái)成一種可以檢測壓力、彎曲和應變等變形的可伸縮“皮膚”。這種傳感器可以用于機器人系統和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“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、彎曲和應變等變形，并精確它們的位置和大小。
這個(gè)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(shí)驗室(Organic Robotics Lab)在2016年制造的可伸縮傳感器作為基礎。其中，光通過(guò)光導纖維發(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(shí)變形。在那之后，這個(gè)謝菲爾德的實(shí)驗室開(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(shuō)明，基于二氧化硅的分布式光線(xiàn)傳感器可以檢測微小的波長(cháng)偏移，可作為識別多種特性的方法，如濕度、溫度和應變的變化。但是，二氧化硅分線(xiàn)不兼容柔性和可拉伸的電子產(chǎn)品。另外，智能柔性系統同樣帶來(lái)了自身的結構性挑戰。
研究小組表示：“我們知道柔性物質(zhì)可以以一種非常復雜的、組合的方式變形，而且同時(shí)會(huì )出現大量的變形。我們需要一種可以將其分離開(kāi)來(lái)的傳感器?！?br style="margin: 0px; padding: 0px;"/>
團隊的解決方案是開(kāi)發(fā)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(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)紅綠藍傳感器芯片相接，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(guò)所述輸出，傳感器可以通過(guò)點(diǎn)亮充當空間編碼器的染料來(lái)檢測到一系列的變形，如壓力、彎曲或伸長(cháng)。研究人員同時(shí)將這項技術(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學(xué)模型相結合。
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(jiǎn)單，而且更容易集成到小型系統中。
康奈爾大學(xué)有機機器人實(shí)驗室設計了一種3D打印手套，內嵌能夠利用光線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測一系列變形的可伸縮光纖傳感器。
這項技術(shù)可以應用于可穿戴領(lǐng)域。研究人員設計了一種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，并配有藍牙，所以它可以將數據傳輸到一個(gè)可以實(shí)時(shí)重建手套運動(dòng)和變形的軟件中。
謝菲爾德指出：“現在，感知主要是通過(guò)視覺(jué)完成。在現實(shí)生活中，我們幾乎從不測量觸覺(jué)。這種皮膚是一種允許我們自己和機器能夠測量觸覺(jué)交互的方式，就像我們現在使用智能手機的攝像頭一樣。它用視覺(jué)來(lái)測量觸覺(jué)。以可伸縮方式實(shí)現這一目標是最方便、最實(shí)用的方法?！?/p>
研究人員同時(shí)在研究SLIMS傳感器能夠如何提升虛擬現實(shí)和增強現實(shí)體驗。
謝菲爾德說(shuō)道：“VR和AR沉浸感是基于運動(dòng)捕捉。觸感幾乎不存在。假設你需要一個(gè)教導你如何修理汽車(chē)或更換輪胎的AR模擬，如果你有一只手套或其他可以測量壓力和運動(dòng)的愿隨，增強現實(shí)可視化技術(shù)就可以說(shuō)‘擰一下然后停下來(lái)，這樣你就不會(huì )把螺母擰得太緊了?！F在還沒(méi)有什么能做到這一點(diǎn)，但它是一條實(shí)現所述目標的途徑?！?/p>
這項研究得到了美國國家科學(xué)基金會(huì )、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、美國農業(yè)部國家食品和農業(yè)研究所、以及美國海軍研究所的支持。
研究人員同時(shí)利用了康奈爾納米科技設施和康奈爾材料研究中心，而這兩個(gè)機構都得到了美國國家科學(xué)基金會(huì )的支持。
