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引领研发新型柔性光纤传感器

大学仕 2020-12-01 11:42

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随着软体机器人和新材料技术的不断发展，柔性传感器被科学家们广泛研发和使用，并且开始逐渐走入大众的生活。相比于传统的“硬质”传感器，柔性传感器“生来”柔软轻便，特别适合于可穿戴设备，具体来说，在医疗康复，运动指导，以及VR、AR游戏等领域都有很大的应用前景。

为了实现“柔软”的特性，现有几种新型的柔性传感器大多基于硅胶等弹性体作为载体进行制作，因硅胶具有良好的弹性和延展性。常见的有基于液态金属，基于柔性导电聚合物，以及基于光纤原理这三种。

相比于液态金属传感器和导电聚合物传感器，弹性光纤传感器具有易于加工，低迟滞，高精度等特点。来自于康奈尔大学“有机体机器人实验室”Organic Robotics Lab的Robert F. Shepherd教授于2016年在Science Robotics提出的弹性光纤传感器（文章一作现为清华大学助理教授赵慧婵博士，文末附有文章信息）。弹性光纤传感器的利用了光路在传播过程中的损耗来检测弹性体变形，其中内层使用高折射率的材料，外层使用低折射率的材料，在光纤的一侧装配LED，另一侧装配光电二极管。通过检测输出光信号的强弱变化，即可检测诸如拉伸，弯曲和压缩等形变。

基于之前的研究，Robert F. Shepherd教授的研究团队近日在Science正刊上发表了一篇题为《可拉伸的分布式光纤传感器》（Stretchable distributed fiber-opticsensors），值得注意的是，文章的两位共一作者均为华人学者（Hedan Bai & Shuo Li）。

上一代弹性光纤传感器只可以检测单一信号，新一代的光纤传感器最大的亮点就是极大的丰富了传感器的检测能力，即“只需要一根，通过对于颜色信息的分析解耦，就实现了传感器上不同位置的形变检测，以及可以同时检测出传感器拉伸和受压情况，极大的提升了弹性光纤传感器的性能”。研究者设计了一种极具弹性的“多模式传感光导纤维，简称SLIMS”。相比上一代的单根内芯，新型光纤包含了两根聚氨酯弹性内芯，一根为透明，另一根在多个不同的位置进行染色（红，绿，蓝）。

每一个内芯的一侧和LED相连，另一侧和RGB颜色传感器相连（检测弹性光路的形变）。当染色区域发生形变时，输出的白色LED光会相应的变为对应变形区域的颜色。这种双内芯加区域染色的设计，极大地增加了输出信号的丰富程度，通过建模分析解耦，让传感器能够检测弹性光纤不同位置以及不同模式的变形。

根据研究者的展示，一根SLIMS传感器可以实时检测施加于不同染色区域的拉伸，弯曲，以及受压的情况。为了更好地展示新型传感器的用途，研究者将SLIMS传感器集成到一个3d打印的柔性手套上，对于手指同时弯曲和受压的变形来说，当手指仅仅弯曲时，输出光强度会略微衰减。这时当各个关节上进行按压时，光线强度信号会猛然增加，当信号超过某一强度，便可以判断哪个位置受压。