《Science》正刊！康奈尔大学两位「华人学者」引领研发新型柔性光纤传感器
导读
柔软而富有弹性的传感器可以和人体更好地贴合，从而大幅提升穿戴舒适感，在软体机器人和可穿戴设备领域都有很大的应用价值。近日，来自于康奈尔大学的研究者们研发了一款超柔软的可拉伸光纤传感器，称之为”可拉伸多模式光导传感器”（Stretchablelightguide for multimodal sensing, SLIMS），SLIMS由价格低廉的弹性材料，LED灯和染色剂制成。SLIMS可以做成“柔性皮肤”穿在手上，仅仅一根SLIMS就可以同时检测手指不同关节的弯曲和压力情况。SLIMS传感器可以让软体机器人，以及柔性可穿戴设备获得更加真实和灵敏的反馈。该研究成果于近日发表于《科学》Science杂志，值得一提的是，文章两位共一作者均是华人学者。
图1. 《Science》刊出“可拉伸分布式光纤传感器”
新型柔性光纤传感器
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。一个典型的例子就是科幻电影“头号玩家”中主角在进入虚拟世界时穿着的具有“动作捕捉”功能的贴身游戏服装。
图2. 电影头号玩家中的VR专用服装
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。
图3. 常见的柔性传感器
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。
图4. 2016年发表于Science Robotics的弹性光纤传感器
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”。（文末附有文章信息）
图5. 新型的多模式弹性光纤传感器
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。
图6. 根绝颜色变化判断拉伸位置
图7. 根据颜色变化判断弯曲位置
图8. 根据颜色变化判断受压位置
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，如下图所示。每根手指仅用了一个定制的SLIMS传感器来感应手指的三个关节的运动，以及外部对手指施加的压力等。具体来说，手指的近端，中部，和远端关节分别由红，蓝和绿三种颜料染色。其余的手套部件包括颜色传感器，以及一个用于信号收发的无线电路模块。整个手套柔软舒适而轻便。
图9. 集成多根SLIMS传感器的智能手套
研究者在电脑中构建了虚拟的人手模型用来跟踪显示手部动作，即手套使用者每做一个手部动作，电脑中的虚拟人手就会实时做出相应的动作。下图展示了一根手指的三根关节逐步弯曲的情况。
图10. 智能手套感知手指的弯曲
通过对于多重信号的解析，柔性手套不仅仅可以检测手指的弯曲，同时还可以在弯曲的时候检测手指受到外界的压力，展示如下图，仅仅通过一根弹性光纤传感器，就可以实现如此强大的传感功能，相信这也是该研究能发表于Science期刊的原因之一吧！
图11. 同时感应弯曲和压力（解耦）
柔性光纤传感器SLIMS的原理
这一部分向大家简单介绍SLIMS传感器的设计和原理。
SLIMS光纤内部有两条不同的聚氨酯材料做成的弹性体内芯，一个内芯在不同位置被染以不同的颜色，另一个完全透明，两个内芯中间被隔开。一个白色LED从染色内芯给一个输入信号，在传感器的另一侧，有两个红绿蓝传感器，分别检测染色内芯和透明内芯的信号。
图13. SLIMS传感器的初始状态和拉伸状态光路图
图14. SLIMS传感器的弯曲状态和受压状态光路图
当SLIMS光纤不变形时，两个内芯均为白色。当染色区域被拉伸时，光路长度增加，从而更多的光线被染色区域吸收，输出的光线信号向相应区域的颜色发生变化。当染色区域弯曲时，大多数光线都会穿过染色区域，从而导致输出颜色发生变化。拉伸和弯曲时，输出光线的颜色变化相似，透明的内芯保持白色，而染色芯则输出相应区域的颜色。
图15. 不同变形模式下SLIMS被拉伸，弯曲和受压时色度
对于单个区域的变形来说，信号的检测相对较为容易，但是当多个区域变形共存时，不同区域的颜色会产生混合。为了能够检测较为复杂的变形，研究者建立了不同颜色（RGB）混合时的数学模型，从而可以精确判断多处传感器变形的情况。
图16. 不同变形模式下SLIMS被拉伸，弯曲和受压时色度
基于研究者建立的数学模型，当使用智能传感手套时，通过对于测得的颜色进行分析和解耦合，便可以得到手指每个关节处的变形情况。
图17. 手指弯曲后不同位置受压时信号变化情况
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。
未来展望
由于SLIMS光纤传感器富有弹性，它们可以用于制造智能服装、可穿戴设备和软体机器人。研究团队希望将SLIMS传感器应用于体育和医疗领域，具体来说，他们打算在明年使用这些可拉伸的光纤测量呼吸和肌肉收缩，或者是用于检测运动员在运动过程中的姿态是否标准等。
目前而言，SLIMS传感器仅仅可以检测三个区域的变形情况，主要受限于RGB三色传感器。如果有更高分辨率的颜色传感器，则可以解析更多的染色区域，更灵敏的检测SLIMS传感器的变形，另外，SLIMS传感器的尺寸也可以进一步被缩小。
文末视频：
论文相关信息：
Bai, H., Li, S., Barreiros, J., Tu, Y., Pollock, C. R., &Shepherd, R. F. (2020). Stretchable distributed fiber-optic sensors. Science, 370(6518),848-852.
https://science.sciencemag.org/content/370/6518/848.abstract
Zhao, H., O’Brien, K., Li, S., & Shepherd,R. F. (2016). Optoelectronically innervated soft prosthetic hand viastretchable optical waveguides. Science robotics, 1(1),eaai7529.
https://robotics.sciencemag.org/content/1/1/eaai7529
参考链接：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/296523553
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