基于微纳光纤的温度/压力同时测量触觉传感器

01   导读

多参量柔性触觉传感器在智能机器人、自然人机交互和健康医疗等领域具有广阔应用前景。

该论文报道了一种可同时监测温度和压力的柔性微纳光纤触觉传感器。

通过理论计算和精确控制微纳光纤的直径，将监测温度的高阶模截止波长调控至短波区域，实现了温度和压力信号的低串扰感知，并且展示了同时测量人体脉搏和体温的能力。

该传感器结构简单、性能优良，在医疗健康和人工智能领域中具有广阔的应用前景。



封面图：基于微纳光纤的温度、压力同时测量触觉传感器

02  研究背景

柔性触觉传感器已在智能机器人、自然人机交互和健康医疗等多个前沿领域展现出巨大的应用前景。人体皮肤根据响应对象的不同可将触觉受体分为：响应机械刺激的机械敏感受体（感知压力、振动、轻触等）、响应温度和热刺激的温度敏感受体、以及响应疼痛和损伤的触觉感受器。因此，如何满足多参量信号准确获取，是实现类人触觉感知的关键问题，也是国内外研究的热点。

由于光可以通过波长、强度、偏振等参数携带信息，且光子之间相互作用小，携带不同信息的光可以同时在一根波导中互不干扰地传输，使得光学传感器在实现多参量触觉感知方面更具潜力。但是，研究具有柔性好、灵敏度高且稳定性强的光学多参量触觉传感器，仍是一个巨大挑战。  

03   创新研究

3.1 微纳光纤触觉传感器的结构

微纳光纤是近年来发展起来的直径接近或小于光波长的一种新型光波导，其直径可比普通光纤小2-3个数量级，具有尺寸小、光场约束能力强、倏逝场比例大、弯曲半径小和损耗低等特点。

本研究提出一种基于微纳光纤的温度和压力双参量触觉传感器，利用微纳光纤的高阶模模式截止和微弯辐射隧穿原理，实现了对温度和压力信号的同时测量。

图2为该触觉传感器的结构以及感知原理图。通过调控微纳光纤直径，将高阶模式的截止波长调控至短波区域，利用短波区域内高阶模截止波长随温度变化而改变和长波区域内光强随压力增加而减小的特性，可实现温度和压力信号的同时测量。

利用不同的波长范围监测温度和压力信号，使得信号间地低串扰测量成为可能。

   

图2 微纳光纤触觉传感器的结构以及感知原理图

3.2 微纳光纤触觉传感器的温度响应性能

理论计算确定微纳光纤的直径为2 μm（图3a）。PDMS材料相较SiO2材料而言具有更大的热光系数，由此微纳光纤的高阶模截止波长随温度升高而发生红移，如图3b所示。

得益于PDMS材料高的热光系数，微纳光纤触觉传感器表现出灵敏度高等性能优势（灵敏度1.2 nm/°C），同时，该传感器对温度响应表现出良好的重复性（图3d）。



图3 微纳光纤触觉传感器的温度响应特性

3.3 微纳光纤触觉传感器的压力响应性能

如图4a，b所示，当温度恒定时，用于感知温度的高阶模截止波长并未随压力增加而发生明显变化，仅是强度发生变化。但是，长波范围的光强信号随着压力的增加，光强发生与波长相关的显著变化。

因此，我们采用长波范围的光强信号用于压力传感。在不同的波长下，该传感器表现出不同的压力响应灵敏度（图4c）。

此外，该传感器还具有对静态压力响应的良好重复性（图4d）和对动态压力的快速响应（图4e, f）。



图4 微纳光纤触觉传感器的压力响应性能

3.4 医疗健康监测的应用

动脉脉搏波形监测是一种安全、无创心血管问题分析方法，因为冷热变化会影响血液血管舒张和血管收缩，所以皮肤温度变化会影响动脉脉冲波形。

因此，为了实现对脉搏波形的准确分析，有必要在进行脉搏测量的同时监测皮肤温度。我们利用该传感器实现了皮肤温度和腕部脉搏的实时监测，为准确获得脉搏波和相关血流动力学信息提供了一种新的方式。



图5 微纳光纤触觉传感器应用





审核编辑：刘清