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圖1. 《Science》刊出“可拉伸分布式光纖傳感器”

新型柔性光纖傳感器

隨著軟體機器人和新材料技術(shù)的不斷發(fā)展，柔性傳感器被科學(xué)家們廣泛研發(fā)和使用，并且開始逐漸走入大眾的生活。相比于傳統(tǒng)的“硬質(zhì)”傳感器，柔性傳感器“生來”柔軟輕便，特別適合于可穿戴設(shè)備，具體來說，在醫(yī)療康復(fù)，運動指導(dǎo)，以及VR、AR游戲等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用前景。一個典型的例子就是科幻電影“頭號玩家”中主角在進入虛擬世界時穿著的具有“動作捕捉”功能的貼身游戲服裝。

 

圖2. 電影頭號玩家中的VR專用服裝

 

為了實現(xiàn)“柔軟”的特性，現(xiàn)有幾種新型的柔性傳感器大多基于硅膠等彈性體作為載體進行制作，因硅膠具有良好的彈性和延展性。常見的有基于液態(tài)金屬，基于柔性導(dǎo)電聚合物，以及基于光纖原理這三種。

 

圖3. 常見的柔性傳感器

 

相比于液態(tài)金屬傳感器和導(dǎo)電聚合物傳感器，彈性光纖傳感器具有易于加工，低遲滯，高精度等特點。來自于康奈爾大學(xué)“有機體機器人實驗室”O(jiān)rganic Robotics Lab的Robert F. Shepherd教授于2016年在Science Robotics提出的彈性光纖傳感器（文章一作現(xiàn)為清華大學(xué)助理教授趙慧嬋博士，文末附有文章信息）。彈性光纖傳感器的利用了光路在傳播過程中的損耗來檢測彈性體變形，其中內(nèi)層使用高折射率的材料，外層使用低折射率的材料，在光纖的一側(cè)裝配LED，另一側(cè)裝配光電二極管。通過檢測輸出光信號的強弱變化，即可檢測諸如拉伸，彎曲和壓縮等形變。

圖4. 2016年發(fā)表于Science Robotics的彈性光纖傳感器

 

基于之前的研究，Robert F. Shepherd教授的研究團隊近日在Science正刊上發(fā)表了一篇題為《可拉伸的分布式光纖傳感器》（Stretchable distributed fiber-opticsensors），值得注意的是，文章的兩位共一作者均為華人學(xué)者（Hedan Bai & Shuo Li）。

 

上一代彈性光纖傳感器只可以檢測單一信號，新一代的光纖傳感器最大的亮點就是極大的豐富了傳感器的檢測能力，即“只需要一根，通過對于顏色信息的分析解耦，就實現(xiàn)了傳感器上不同位置的形變檢測，以及可以同時檢測出傳感器拉伸和受壓情況，極大的提升了彈性光纖傳感器的性能”。（文末附有文章信息）

  

圖5. 新型的多模式彈性光纖傳感器

 

研究者設(shè)計了一種極具彈性的“多模式傳感光導(dǎo)纖維，簡稱SLIMS”。相比上一代的單根內(nèi)芯，新型光纖包含了兩根聚氨酯彈性內(nèi)芯，一根為透明，另一根在多個不同的位置進行染色（紅，綠，藍）。每一個內(nèi)芯的一側(cè)和LED相連，另一側(cè)和RGB顏色傳感器相連（檢測彈性光路的形變）。當(dāng)染色區(qū)域發(fā)生形變時，輸出的白色LED光會相應(yīng)的變?yōu)閷?yīng)變形區(qū)域的顏色。

 

這種雙內(nèi)芯加區(qū)域染色的設(shè)計，極大地增加了輸出信號的豐富程度，通過建模分析解耦，讓傳感器能夠檢測彈性光纖不同位置以及不同模式的變形。

 

根據(jù)研究者的展示，一根SLIMS傳感器可以實時檢測施加于不同染色區(qū)域的拉伸，彎曲，以及受壓的情況。

 

圖6. 根絕顏色變化判斷拉伸位置

 

圖7. 根據(jù)顏色變化判斷彎曲位置

 

圖8. 根據(jù)顏色變化判斷受壓位置

 

為了更好地展示新型傳感器的用途，研究者將SLIMS傳感器集成到一個3d打印的柔性手套上，如下圖所示。每根手指僅用了一個定制的SLIMS傳感器來感應(yīng)手指的三個關(guān)節(jié)的運動，以及外部對手指施加的壓力等。具體來說，手指的近端，中部，和遠端關(guān)節(jié)分別由紅，藍和綠三種顏料染色。其余的手套部件包括顏色傳感器，以及一個用于信號收發(fā)的無線電路模塊。整個手套柔軟舒適而輕便。

 

圖9. 集成多根SLIMS傳感器的智能手套

 

研究者在電腦中構(gòu)建了虛擬的人手模型用來跟蹤顯示手部動作，即手套使用者每做一個手部動作，電腦中的虛擬人手就會實時做出相應(yīng)的動作。下圖展示了一根手指的三根關(guān)節(jié)逐步彎曲的情況。

 

圖10. 智能手套感知手指的彎曲

 

通過對于多重信號的解析，柔性手套不僅僅可以檢測手指的彎曲，同時還可以在彎曲的時候檢測手指受到外界的壓力，展示如下圖，僅僅通過一根彈性光纖傳感器，就可以實現(xiàn)如此強大的傳感功能，相信這也是該研究能發(fā)表于Science期刊的原因之一吧！

 

圖11. 同時感應(yīng)彎曲和壓力（解耦）

柔性光纖傳感器SLIMS的原理

 

這一部分向大家簡單介紹SLIMS傳感器的設(shè)計和原理。

 

SLIMS光纖內(nèi)部有兩條不同的聚氨酯材料做成的彈性體內(nèi)芯，一個內(nèi)芯在不同位置被染以不同的顏色，另一個完全透明，兩個內(nèi)芯中間被隔開。一個白色LED從染色內(nèi)芯給一個輸入信號，在傳感器的另一側(cè)，有兩個紅綠藍傳感器，分別檢測染色內(nèi)芯和透明內(nèi)芯的信號。

圖13. SLIMS傳感器的初始狀態(tài)和拉伸狀態(tài)光路圖

 圖14. SLIMS傳感器的彎曲狀態(tài)和受壓狀態(tài)光路圖

當(dāng)SLIMS光纖不變形時，兩個內(nèi)芯均為白色。當(dāng)染色區(qū)域被拉伸時，光路長度增加，從而更多的光線被染色區(qū)域吸收，輸出的光線信號向相應(yīng)區(qū)域的顏色發(fā)生變化。當(dāng)染色區(qū)域彎曲時，大多數(shù)光線都會穿過染色區(qū)域，從而導(dǎo)致輸出顏色發(fā)生變化。拉伸和彎曲時，輸出光線的顏色變化相似，透明的內(nèi)芯保持白色，而染色芯則輸出相應(yīng)區(qū)域的顏色。

 

圖15. 不同變形模式下SLIMS被拉伸，彎曲和受壓時色度

 

對于單個區(qū)域的變形來說，信號的檢測相對較為容易，但是當(dāng)多個區(qū)域變形共存時，不同區(qū)域的顏色會產(chǎn)生混合。為了能夠檢測較為復(fù)雜的變形，研究者建立了不同顏色（RGB）混合時的數(shù)學(xué)模型，從而可以精確判斷多處傳感器變形的情況。

圖16. 不同變形模式下SLIMS被拉伸，彎曲和受壓時色度

 

基于研究者建立的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)使用智能傳感手套時，通過對于測得的顏色進行分析和解耦合，便可以得到手指每個關(guān)節(jié)處的變形情況。

 

圖17. 手指彎曲后不同位置受壓時信號變化情況

 

對于手指同時彎曲和受壓的變形來說，當(dāng)手指僅僅彎曲時，輸出光強度會略微衰減。這時當(dāng)各個關(guān)節(jié)上進行按壓時，光線強度信號會猛然增加，當(dāng)信號超過某一強度，便可以判斷哪個位置受壓。

 

未來展望

由于SLIMS光纖傳感器富有彈性，它們可以用于制造智能服裝、可穿戴設(shè)備和軟體機器人。研究團隊希望將SLIMS傳感器應(yīng)用于體育和醫(yī)療領(lǐng)域，具體來說，他們打算在明年使用這些可拉伸的光纖測量呼吸和肌肉收縮，或者是用于檢測運動員在運動過程中的姿態(tài)是否標(biāo)準(zhǔn)等。

 

目前而言，SLIMS傳感器僅僅可以檢測三個區(qū)域的變形情況，主要受限于RGB三色傳感器。如果有更高分辨率的顏色傳感器，則可以解析更多的染色區(qū)域，更靈敏的檢測SLIMS傳感器的變形，另外，SLIMS傳感器的尺寸也可以進一步被縮小。