西南交大機械工程學院 Mater. Horiz.：通過柔性彩色光波導進行指尖觸覺傳感
光纖傳感技術在先進機器人領域的應用，有望為惡劣工作環境下的機器人提供可靠、強大的感知能力。柔性光波導表現出良好的彈性，可以輕松嵌入假肢手指中，實現復雜的觸覺功能。盡管用于觸覺傳感的軟光纖傳感技術已經取得了很大進展，但絕大多數研究仍然集中在手指關節運動和外部按壓的傳感上。指尖比指關節和手掌對觸摸更敏感。指尖感受器可以將觸摸物體的質地、形狀、溫度等觸覺信息傳遞給大腦，從而有效地調整手部的抓握和操作策略。為了模擬指尖觸摸，需要柔性光波導傳感器同時實現壓力、滑動和溫度傳感。另一方面，主動觸摸產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。據所知，基于柔性光波導技術模擬指尖主動觸摸并同時實現壓力、滑動和溫度的傳感充滿挑戰。
圖1.基于柔性光波導陣列的3D 打印假肢手指，用于指尖觸覺傳感。a）力/熱敏感結構與3D打印手指結合的整體裝配圖。b) 用于物體輪廓、硬度和滑動檢測。
近期，西南交通大學機械工程學院摩擦學研究所楊婷婷副研究員與錢林茂教授合作，通過簡單的器件結構設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歸因于內嵌多通道彩色光波導懸垂結構的被動變形。該變形由手指在交互過程中主動觸發。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，光波導可以彎曲成不同的角度，同時也產生不同大小的反作用力，從而給用戶豐富的“彈性”反饋。此外，分布式光波導提供了彩色光功率損耗的各種時空組合。結合信號處理和算法學習，可以在手指滑動過程中完成觸覺感知，實現筆記書寫分析、盲文識別等創新應用，如圖2所示。該工作以“Prosthetic finger for fingertip tactile sensing via flexible chromatic optical waveguides”為題發表在《Materials Horizons》上（DOI: 10.1039/D3MH00921A）。文章第一作者是西南交通大學碩士研究生周健。該研究得到國家自然科學基金委，四川省自然科學基金委和西南交通大學科學技術發展研究院的支持。
圖2. 識別和操縱物體的應用演示。 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于智能觸覺傳感器件與自供電系統集成相關研究的最新進展之一。現有觸覺傳感技術仍然面臨多功能傳感融合、智能化、自供電系統集成等難題。為此創新仿生力敏結構與界面結構設計，開發多功能的觸覺傳感器件、環境能量采集能源器件及自供電傳感集成系統。在過去的兩年中，設計并制造了基于張拉整體結構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.），基于強界面設計的高魯棒性應變傳感器件（Advanced Materials Interfaces,2022,9(30):2201201），基于離子二極管結構的長壽命濕基發電器件（Nature Communications,2022,13:3484），基于多級孔結構的多模態濕基發電器件（Advanced Energy Materials,2022,12,2202634），基于離子二極管結構的寬鹽度范圍發電器件（Nano Energy,2023,108:108220）等。
原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00921a
