可伸缩传感器给机器人和VR带来了人情味

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2022 May. 20

康奈尔大学的研究人员发明了一种结合了低成本发光二极管和染料的光纤传感器，产生了一种可伸缩的“皮肤”，可以检测压力、弯曲和应变等变形。这种传感器可以让柔软的机器人系统——以及任何使用增强现实技术的人——有能力感受丰富的触觉，就像哺乳动物在自然世界中导航一样。

由工程学院机械和航空航天工程副教授Rob Shepherd领导的研究人员正在努力将这项技术商业化，用于物理治疗和运动医学。

他们的论文《可拉伸分布式光纤传感器》(Stretchable Distributed Fiber-Optic Sensors)发表在11月13日的《科学》(Science)杂志上。论文的共同主要作者是博士生白鹤丹(16)和李硕(20)。

该项目建立在2016年Shepherd有机机器人实验室发明的可拉伸传感器的基础上，在该传感器中，光通过一个光波导发送，一个光电二极管检测光束强度的变化，以确定材料何时发生变形。该实验室后来开发了各种类似的感官材料，如光学花边和泡沫。

在新项目中，白从基于硅的分布式光纤传感器中获得了灵感，这种传感器可以检测微小的波长变化，作为识别多种属性的方法，如湿度、温度和应变的变化。然而，硅纤维不兼容柔软和可拉伸的电子产品。智能软件系统也面临着自身结构上的挑战。

“我们知道软物质可以以一种非常复杂的组合方式变形，同时有很多变形发生，”白说。“我们想要一种能够消除这些干扰的传感器。”

Bai的解决方案是制造一种可伸缩的多模态光波导(SLIMS)。这个长管包含一对聚氨酯弹性体芯。一个核是透明的;另一个是充满吸收染料在多个位置，并连接到一个LED。每个核心都配有红绿蓝传感器芯片，以记录光路的几何变化。

双核设计增加了传感器的输出数量，通过点亮充当空间编码器的染料，传感器可以检测到范围内的变形——压力、弯曲或延伸。Bai将这项技术与一个可以解耦或分离不同变形的数学模型相结合，并确定它们的确切位置和大小。

分布式光纤传感器需要高分辨率的检测设备，而SLIMS传感器可以与小光电子器件一起工作，具有较低的分辨率。这使得它们更便宜，制造更简单，更容易集成到小型系统中。例如，SLIMS传感器可以植入机器人的手部来检测滑移。

这项技术也可穿戴。研究人员设计了一种3d打印手套，每个手指上都有一个SLIMS传感器。这种手套由锂电池供电，并配备了蓝牙，因此它可以将数据传输到Bai设计的基本软件，从而实时重建手套的运动和变形。

“现在，感知主要是通过视觉来完成的，”谢泼德说。“在现实生活中，我们几乎从未测量过触觉。这种皮肤是一种让我们自己和机器测量触觉互动的方式，就像我们现在使用手机上的摄像头一样。它用视觉来测量触觉。这是最方便、最实用的可扩展方式。”

Bai通过美国国家科学基金会创新团队(I-Corps)项目探索了SLIMS的商业潜力。她和谢泼德正在与康奈尔大学技术许可中心合作，为这项技术申请专利，并着眼于在物理治疗和运动医学方面的应用。这两个领域都利用了动作跟踪技术，但到目前为止还缺乏捕捉力的相互作用的能力。

研究人员还在研究SLIMS传感器提升虚拟和增强现实体验的方法。

“VR和AR沉浸感基于动作捕捉。触碰几乎不存在，”谢泼德说。“假设你想要一个增强现实模拟游戏，教会你如何修理汽车或换轮胎。如果你有一个手套或其他可以测量压力和运动的东西，增强现实可视化可以说，“转动然后停止，这样你就不会把螺母拉得太紧了。”目前还没有任何技术能做到这一点，但这是一个实现这一点的途径。”

合著者包括克利福德·波洛克，Ilda和查尔斯·李工程教授;博士生Jose Barreiros，硕士20，硕士学位。“17;涂亚琪，M.S. 18。

该研究得到了美国国家科学基金会(NSF)的支持;空军科学研究办公室;康奈尔技术加速和成熟;美国农业部的国家食品和农业研究所;和海军研究办公室。

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