西南交大機械工程學(xué)院 Mater. Horiz.：通過柔性彩色光波導(dǎo)進行指尖觸覺傳感
光纖傳感技術(shù)在先進機器人領(lǐng)域的應(yīng)用，有望為惡劣工作環(huán)境下的機器人提供可靠、強大的感知能力。柔性光波導(dǎo)表現(xiàn)出良好的彈性，可以輕松嵌入假肢手指中，實現(xiàn)復(fù)雜的觸覺功能。盡管用于觸覺傳感的軟光纖傳感技術(shù)已經(jīng)取得了很大進展，但絕大多數(shù)研究仍然集中在手指關(guān)節(jié)運動和外部按壓的傳感上。指尖比指關(guān)節(jié)和手掌對觸摸更敏感。指尖感受器可以將觸摸物體的質(zhì)地、形狀、溫度等觸覺信息傳遞給大腦，從而有效地調(diào)整手部的抓握和操作策略。為了模擬指尖觸摸，需要柔性光波導(dǎo)傳感器同時實現(xiàn)壓力、滑動和溫度傳感。另一方面，主動觸摸產(chǎn)生的感知通常要好于被動觸摸。例如，形狀感知主要通過主動觸摸而不是被動觸摸來實現(xiàn)。據(jù)所知，基于柔性光波導(dǎo)技術(shù)模擬指尖主動觸摸并同時實現(xiàn)壓力、滑動和溫度的傳感充滿挑戰(zhàn)。
圖1.基于柔性光波導(dǎo)陣列的3D 打印假肢手指，用于指尖觸覺傳感。a）力/熱敏感結(jié)構(gòu)與3D打印手指結(jié)合的整體裝配圖。b) 用于物體輪廓、硬度和滑動檢測。
近期，西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院摩擦學(xué)研究所楊婷婷副研究員與錢林茂教授合作，通過簡單的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝制造以及巧妙的分布式傳感方法，賦予假肢手指主動的交互觸感體驗。3D打印假肢手指具有強大的指尖觸覺感知能力，包括物體輪廓、硬度、滑移方向、滑移速度和溫度等，如圖1所示。這種主動觸摸的實現(xiàn)歸因于內(nèi)嵌多通道彩色光波導(dǎo)懸垂結(jié)構(gòu)的被動變形。該變形由手指在交互過程中主動觸發(fā)。他們將嵌入傳感器的假肢手指集成到三軸運動平臺中，并進一步演示了手指與物體主動接觸過程中多位置變形的解耦。主動觸摸過程中，光波導(dǎo)可以彎曲成不同的角度，同時也產(chǎn)生不同大小的反作用力，從而給用戶豐富的“彈性”反饋。此外，分布式光波導(dǎo)提供了彩色光功率損耗的各種時空組合。結(jié)合信號處理和算法學(xué)習(xí)，可以在手指滑動過程中完成觸覺感知，實現(xiàn)筆記書寫分析、盲文識別等創(chuàng)新應(yīng)用，如圖2所示。該工作以“Prosthetic finger for fingertip tactile sensing via flexible chromatic optical waveguides”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上（DOI: 10.1039/D3MH00921A）。文章第一作者是西南交通大學(xué)碩士研究生周健。該研究得到國家自然科學(xué)基金委，四川省自然科學(xué)基金委和西南交通大學(xué)科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究院的支持。
圖2. 識別和操縱物體的應(yīng)用演示。 a) 書寫字符 H。b) 操縱物體并比較粗糙度。c) 盲文識別。
該工作是楊婷婷副研究員與合作者近期關(guān)于智能觸覺傳感器件與自供電系統(tǒng)集成相關(guān)研究的最新進展之一。現(xiàn)有觸覺傳感技術(shù)仍然面臨多功能傳感融合、智能化、自供電系統(tǒng)集成等難題。為此創(chuàng)新仿生力敏結(jié)構(gòu)與界面結(jié)構(gòu)設(shè)計，開發(fā)多功能的觸覺傳感器件、環(huán)境能量采集能源器件及自供電傳感集成系統(tǒng)。在過去的兩年中，設(shè)計并制造了基于張拉整體結(jié)構(gòu)的寬頻帶抗沖擊振動傳感器件（Nano Energy,2023,109:108279），基于封裝策略的抗氣體/熱干擾的濕度傳感器件（Sensors And Actuators B,2023.），基于強界面設(shè)計的高魯棒性應(yīng)變傳感器件（Advanced Materials Interfaces,2022,9(30):2201201），基于離子二極管結(jié)構(gòu)的長壽命濕基發(fā)電器件（Nature Communications,2022,13:3484），基于多級孔結(jié)構(gòu)的多模態(tài)濕基發(fā)電器件（Advanced Energy Materials,2022,12,2202634），基于離子二極管結(jié)構(gòu)的寬鹽度范圍發(fā)電器件（Nano Energy,2023,108:108220）等。
原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00921a
