西南交大机械工程学院 Mater. Horiz.：通过柔性彩色光波导进行指尖触觉传感
光纤传感技术在先进机器人领域的应用，有望为恶劣工作环境下的机器人提供可靠、强大的感知能力。柔性光波导表现出良好的弹性，可以轻松嵌入假肢手指中，实现复杂的触觉功能。尽管用于触觉传感的软光纤传感技术已经取得了很大进展，但绝大多数研究仍然集中在手指关节运动和外部按压的传感上。指尖比指关节和手掌对触摸更敏感。指尖感受器可以将触摸物体的质地、形状、温度等触觉信息传递给大脑，从而有效地调整手部的抓握和操作策略。为了模拟指尖触摸，需要柔性光波导传感器同时实现压力、滑动和温度传感。另一方面，主动触摸产生的感知通常要好于被动触摸。例如，形状感知主要通过主动触摸而不是被动触摸来实现。据所知，基于柔性光波导技术模拟指尖主动触摸并同时实现压力、滑动和温度的传感充满挑战。
图1.基于柔性光波导阵列的3D 打印假肢手指，用于指尖触觉传感。a）力/热敏感结构与3D打印手指结合的整体装配图。b) 用于物体轮廓、硬度和滑动检测。
近期，西南交通大学机械工程学院摩擦学研究所杨婷婷副研究员与钱林茂教授合作，通过简单的器件结构设计和工艺制造以及巧妙的分布式传感方法，赋予假肢手指主动的交互触感体验。3D打印假肢手指具有强大的指尖触觉感知能力，包括物体轮廓、硬度、滑移方向、滑移速度和温度等，如图1所示。这种主动触摸的实现归因于内嵌多通道彩色光波导悬垂结构的被动变形。该变形由手指在交互过程中主动触发。他们将嵌入传感器的假肢手指集成到三轴运动平台中，并进一步演示了手指与物体主动接触过程中多位置变形的解耦。主动触摸过程中，光波导可以弯曲成不同的角度，同时也产生不同大小的反作用力，从而给用户丰富的“弹性”反馈。此外，分布式光波导提供了彩色光功率损耗的各种时空组合。结合信号处理和算法学习，可以在手指滑动过程中完成触觉感知，实现笔记书写分析、盲文识别等创新应用，如图2所示。该工作以“Prosthetic finger for fingertip tactile sensing via flexible chromatic optical waveguides”为题发表在《Materials Horizons》上（DOI: 10.1039/D3MH00921A）。文章第一作者是西南交通大学硕士研究生周健。该研究得到国家自然科学基金委，四川省自然科学基金委和西南交通大学科学技术发展研究院的支持。
图2. 识别和操纵物体的应用演示。 a) 书写字符 H。b) 操纵物体并比较粗糙度。c) 盲文识别。
该工作是杨婷婷副研究员与合作者近期关于智能触觉传感器件与自供电系统集成相关研究的最新进展之一。现有触觉传感技术仍然面临多功能传感融合、智能化、自供电系统集成等难题。为此创新仿生力敏结构与界面结构设计，开发多功能的触觉传感器件、环境能量采集能源器件及自供电传感集成系统。在过去的两年中，设计并制造了基于张拉整体结构的宽频带抗冲击振动传感器件（Nano Energy,2023,109:108279），基于封装策略的抗气体/热干扰的湿度传感器件（Sensors And Actuators B,2023.），基于强界面设计的高鲁棒性应变传感器件（Advanced Materials Interfaces,2022,9(30):2201201），基于离子二极管结构的长寿命湿基发电器件（Nature Communications,2022,13:3484），基于多级孔结构的多模态湿基发电器件（Advanced Energy Materials,2022,12,2202634），基于离子二极管结构的宽盐度范围发电器件（Nano Energy,2023,108:108220）等。
原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh00921a
