智東西11月23日消息，漫威世界里的炫酷機械臂吸引了無數(shù)人的目光，但裝上機械臂很重要的一步就是讓手臂先擁有“觸覺”。

傳導與“觸覺”相關(guān)的彎曲、拉伸等力學數(shù)據(jù)的傳感器已經(jīng)非常常見，但如何讓傳感器貼合不平坦的皮膚表面，并且在彎曲、折疊的形態(tài)下準確測量手部數(shù)據(jù)一直是學界熱議的課題。

今天，康奈爾大學研究者在《Science》上發(fā)表《可拉伸分布式光纖傳感器（Stretchable ‘skin’ sensor gives robots human sensation）》，旨在通過將低成本LED與染料結(jié)合，創(chuàng)造可拉伸的光纖傳感器，以檢測壓力、彎曲和應變等，實現(xiàn)運動康復、虛擬現(xiàn)實、機器人感知等領域的應用。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/370/6518/848

一、雙段彈性光纖：從光路變化測運動信息

該柔性傳感器目前的研究成果是一個3D打印出來的傳感手套，它不僅可以讓人類體驗更逼真的虛擬現(xiàn)實、進行運動康復，也可以成為機器人更靈活的“雙手”。

▲康奈爾大學研究團隊研發(fā)的傳感手套

該套手套的亮點就是每個手指上的SLIMS傳感器（多模式傳感的可拉伸光導，stretchable lightguide for multimodal sensing ），主要研發(fā)人員之一Hedan Bai曾表示SLIMS的靈感來自于二氧化硅材料的分布式光纖傳感器。

傳統(tǒng)分布式光纖傳感器能在輕細柔韌的基礎上還保持的高靈敏度，通常用于在環(huán)境較為惡劣的地區(qū)進行液體管道和大壩的滲漏檢測、鐵路檢測等，但它們要么只能測量光、電、力等多種變量其中之一，要么需要安裝復雜的光學器件來覆蓋多種變量的監(jiān)測，這樣就注定無法保證柔性傳感器的輕巧便攜。

▲傳統(tǒng)分布式光纖傳感器

但康奈爾大學的研究人員將傳統(tǒng)二氧化硅等材料換成了雙段聚氨酯彈性光纖，與普通彈性光纖不同的是，該光纖一段是透明的，相鄰的另一段則填充了不同顏色的可吸收染料。

無論是透明還是有色光纖，都與RGB傳感器芯片耦合，該RGB傳感器芯片通過光路在不同段光纖上的幾何變化，判斷手部的彎曲、拉伸和局部壓縮，空間分辨率（遙感圖像上能夠詳細區(qū)分最小單元的尺寸或大?。┑椭良s1厘米。

▲雙段聚氨酯彈性光纖

研究人員還為傳感手套配備了鋰電池和藍牙，便于手套直接將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚涮总浖?，對手部的運動和形變進行實時建模。

二、SLIMS傳感器：康復、游戲兩不誤

康奈爾大學機械和航空航天工程副教授Rob Shepherd領導該傳感器的研究團隊，正在致力于將該傳感器應用到物理療法和運動醫(yī)學領域中，實現(xiàn)商業(yè)化應用落地。

Shepherd說道：“在現(xiàn)實生活中，我們通常通過視覺，而不是觸覺去感受周圍的世界。這種‘傳感’皮膚為我們、或者機器人提供了一個新的方式感知觸覺世界。就像現(xiàn)在手機攝像頭一樣，我們通過光學來檢測觸覺信息，這是最方便、最實用的擴展‘觸覺感知’方式。”

該研究得到了美國國家科學基金會的支持，Bai和Shepherd還正與康奈爾大學技術(shù)許可中心合作，為該技術(shù)申請專利。

研究團隊表示將利用運動追蹤技術(shù)，拓寬SLIMS傳感器在物理療法和運動醫(yī)學領域的應用，目前的技術(shù)難點是如何捕捉力的相互作用。

除了康復領域的應用，研究人員還正研究將SLIMS傳感器運用于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實。

Shepherd說：“目前，VR和AR的沉浸感來源于動作捕捉，而不是玩家能觸碰到虛擬世界里的事物。比如你想玩一款增強現(xiàn)實游戲，比如，教你如何修理汽車或更換輪胎。如果你戴著我們研發(fā)出來的傳感手套，那么該游戲可能就會通過手部的觸感告訴你：‘你把螺母拉得太緊了。’目前產(chǎn)業(yè)里還沒有這樣的技術(shù)，我們的SLIMS傳感器會是他們不錯的選擇?！?/p>

結(jié)語：柔性材料，會大行其道嗎

先有柔性屏大舉進軍手機市場，后有柔性傳感器領域論文頻發(fā)，柔性組件似乎已經(jīng)成為科技領域不大不小的一個母命題。

隨著智能穿戴、虛擬現(xiàn)實等領域?qū)Ξa(chǎn)品體驗的要求越來越高，可折疊、可拉伸電子組件的優(yōu)勢也愈加顯眼，如何開發(fā)出不同的材料，創(chuàng)新不同的設計結(jié)構(gòu)，滿足不同細分領域的要求并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)落地，相信會是未來柔性材料發(fā)展的趨勢。

責任編輯：PSY