康奈尔大学“传感手套” 机械臂也有触觉

智东西11月23日消息，漫威世界里的炫酷机械臂吸引了无数人的目光，但装上机械臂很重要的一步就是让手臂先拥有“触觉”。

传导与“触觉”相关的弯曲、拉伸等力学数据的传感器已经非常常见，但如何让传感器贴合不平坦的皮肤表面，并且在弯曲、折叠的形态下准确测量手部数据一直是学界热议的课题。

今天，康奈尔大学研究者在《Science》上发表《可拉伸分布式光纤传感器（Stretchable ‘skin’ sensor gives robots human sensation）》，旨在通过将低成本LED与染料结合，创造可拉伸的光纤传感器，以检测压力、弯曲和应变等，实现运动康复、虚拟现实、机器人感知等领域的应用。

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/370/6518/848

一、双段弹性光纤：从光路变化测运动信息

该柔性传感器目前的研究成果是一个3D打印出来的传感手套，它不仅可以让人类体验更逼真的虚拟现实、进行运动康复，也可以成为机器人更灵活的“双手”。

▲康奈尔大学研究团队研发的传感手套

该套手套的亮点就是每个手指上的SLIMS传感器（多模式传感的可拉伸光导，stretchable lightguide for multimodal sensing ），主要研发人员之一Hedan Bai曾表示SLIMS的灵感来自于二氧化硅材料的分布式光纤传感器。

传统分布式光纤传感器能在轻细柔韧的基础上还保持的高灵敏度，通常用于在环境较为恶劣的地区进行液体管道和大坝的渗漏检测、铁路检测等，但它们要么只能测量光、电、力等多种变量其中之一，要么需要安装复杂的光学器件来覆盖多种变量的监测，这样就注定无法保证柔性传感器的轻巧便携。

▲传统分布式光纤传感器

但康奈尔大学的研究人员将传统二氧化硅等材料换成了双段聚氨酯弹性光纤，与普通弹性光纤不同的是，该光纤一段是透明的，相邻的另一段则填充了不同颜色的可吸收染料。

无论是透明还是有色光纤，都与RGB传感器芯片耦合，该RGB传感器芯片通过光路在不同段光纤上的几何变化，判断手部的弯曲、拉伸和局部压缩，空间分辨率（遥感图像上能够详细区分最小单元的尺寸或大小）低至约1厘米。

▲双段聚氨酯弹性光纤

研究人员还为传感手套配备了锂电池和蓝牙，便于手套直接将检测到的数据传输到配套软件，对手部的运动和形变进行实时建模。

二、SLIMS传感器：康复、游戏两不误

康奈尔大学机械和航空航天工程副教授Rob Shepherd领导该传感器的研究团队，正在致力于将该传感器应用到物理疗法和运动医学领域中，实现商业化应用落地。

Shepherd说道：“在现实生活中，我们通常通过视觉，而不是触觉去感受周围的世界。这种‘传感’皮肤为我们、或者机器人提供了一个新的方式感知触觉世界。就像现在手机摄像头一样，我们通过光学来检测触觉信息，这是最方便、最实用的扩展‘触觉感知’方式。”

该研究得到了美国国家科学基金会的支持，Bai和Shepherd还正与康奈尔大学技术许可中心合作，为该技术申请专利。

研究团队表示将利用运动追踪技术，拓宽SLIMS传感器在物理疗法和运动医学领域的应用，目前的技术难点是如何捕捉力的相互作用。

除了康复领域的应用，研究人员还正研究将SLIMS传感器运用于虚拟现实和增强现实。

Shepherd说：“目前，VR和AR的沉浸感来源于动作捕捉，而不是玩家能触碰到虚拟世界里的事物。比如你想玩一款增强现实游戏，比如，教你如何修理汽车或更换轮胎。如果你戴着我们研发出来的传感手套，那么该游戏可能就会通过手部的触感告诉你：‘你把螺母拉得太紧了。’目前产业里还没有这样的技术，我们的SLIMS传感器会是他们不错的选择。”

结语：柔性材料，会大行其道吗

先有柔性屏大举进军手机市场，后有柔性传感器领域论文频发，柔性组件似乎已经成为科技领域不大不小的一个母命题。

随着智能穿戴、虚拟现实等领域对产品体验的要求越来越高，可折叠、可拉伸电子组件的优势也愈加显眼，如何开发出不同的材料，创新不同的设计结构，满足不同细分领域的要求并实现产业落地，相信会是未来柔性材料发展的趋势。

责任编辑：PSY