科研摘要

基于二氧化硅的分布式光纖傳感器（DFOS）系統(tǒng)已經(jīng)成為檢測(cè)不可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變，壓力，振動(dòng)，加速度，溫度和濕度的強(qiáng)大工具。但是，DFOS系統(tǒng)與與軟機(jī)器人和可伸縮電子設(shè)備相關(guān)的大型應(yīng)變不兼容。康奈爾大學(xué)華人學(xué)者Hedan Bai，Shuo Li和Robert F. Shepherd教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種由彈性體光導(dǎo)的平行組件組成的傳感器，其中包含連續(xù)或離散的彩色圖案。通過(guò)綜合利用內(nèi)部反射和吸收，可拉伸的DFOS可以區(qū)分和測(cè)量機(jī)械變形的位置，大小和模式（拉伸，彎曲或壓制）。進(jìn)一步展示了通過(guò)可伸縮DFOS集成的無(wú)線手套進(jìn)行的多位置解耦和多模式變形解耦，該手套可以同時(shí)重新配置所有類型的手指關(guān)節(jié)動(dòng)作和外部按壓，而僅需一個(gè)傳感器即可實(shí)時(shí)進(jìn)行。刊發(fā)相關(guān)題為‘‘Stretchable distributed fiber-optic sensors’’的論文在11月《Science》上。

圖文解析

作者提出了一種多功能可拉伸光機(jī)械傳感器，將其稱為可拉伸DFOS，其靈感來(lái)自基于二氧化硅的DFOS?？衫斓腄FOS系統(tǒng)是具有嵌入式彩色圖案的彈性光導(dǎo)的并行組件。作者設(shè)計(jì)了兩種彩色染料圖案，作為兩種傳統(tǒng)DFOS的類比：（i）連續(xù)梯度染料圖案，可以獲得單模變形的連續(xù)空間分辨率；（ii）離散的色塊圖案，可以用離散的空間分辨率測(cè)量和解耦多種變形模式。為了演示可拉伸DFOS的多功能性，該工作重點(diǎn)是采用離散色塊圖案進(jìn)行設(shè)計(jì)，將其命名為可拉伸的多模態(tài)傳感光導(dǎo)（SLIMS）。

圖1 A和B顯示了SLIMS的結(jié)構(gòu)，該導(dǎo)光板由兩個(gè)聚氨酯彈性體芯（一個(gè)在四個(gè)離散位置摻雜有吸收染料的染色芯和一個(gè)不帶染料的透明芯）組成，該芯被有機(jī)硅包層隔開(kāi)。白色發(fā)光二極管（LED）的一端耦合到染色芯。在另一端放置了兩個(gè)紅綠藍(lán)（RGB）傳感器芯片，一個(gè)耦合到染色的核心，一個(gè)耦合到透明的核心。光機(jī)械傳感方法基于SLIMS中光傳播的光路中由變形引起的幾何變化。彩色染料通過(guò)吸收光的變化來(lái)提供波長(zhǎng)選擇調(diào)制。雙芯結(jié)構(gòu)允許沮喪的全內(nèi)反射（TIR）。通過(guò)觀察兩個(gè)核心的色度和強(qiáng)度輸出，可以確定變形的位置，大小和模式（圖1C和視頻1）。

圖1 SLIMS。（A）打結(jié)的SLIMS圖像。（B）SLIMS的示意圖，顯示了不連續(xù)的染色區(qū)域，側(cè)線芯的設(shè)計(jì)及其與光源和顏色傳感器的耦合。（C）SLIMS未變形，拉伸，彎曲和受壓時(shí)的光學(xué)輸出和射線圖。

由于光導(dǎo)的橫截面為毫米級(jí)，可見(jiàn)光（波長(zhǎng)<700 nm）的波特性變得不重要。安裝在染色芯輸入上的白色LED的視角為110°，因此來(lái)自同一LED的光線也可以進(jìn)入透明芯。摻雜的染料充當(dāng)空間信息的顏色代碼。因?yàn)槿玖蠄D案的深度僅等于染色芯高的一小部分（在這種情況下為?），所以很少有光線可以以未變形的形態(tài)穿過(guò)染料。當(dāng)未變形時(shí)，兩個(gè)內(nèi)核均具有白色輸出。

當(dāng)染色區(qū)域被拉伸時(shí)（射線圖：見(jiàn)圖1C，被拉伸），該區(qū)域中的光路長(zhǎng)度增加，引起染料更多的吸收，并且輸出光朝著相應(yīng)的顏色變化。根據(jù)比爾-蘭伯特定律，由于拉伸會(huì)增加兩個(gè)核心的光路，因此兩個(gè)核心的光輸出強(qiáng)度都會(huì)降低。SLIMS的表征表明，隨著任何單個(gè)染色區(qū)域的拉伸，在透明核中未觀察到色度變化（圖2A），而色度隨增加而變化在染色芯中觀察到飽和（圖2D）。兩個(gè)磁芯的輸出強(qiáng)度都以對(duì)數(shù)刻度線性衰減（圖2，G和J）。根據(jù)染色芯的衰減，SLIMS的應(yīng)變靈敏度在150％的范圍內(nèi)落在2至5 dBε-1（其中ε為應(yīng)變）內(nèi)伸長(zhǎng)。以0.5毫米的預(yù)應(yīng)變獲得了0.1毫米的分辨率（1％應(yīng)變）。經(jīng)發(fā)現(xiàn)，預(yù)拉伸可以提高傳感器的分辨率，這與拉伸表征結(jié)果一致（圖2J）。注意當(dāng)拉伸黃綠色區(qū)域（YG）時(shí)的非線性強(qiáng)度響應(yīng)（圖2G）。

圖2 SLIMS在不同變形模式下的表征。當(dāng)SLIMS在染色區(qū)域中被（A）拉伸，（B）彎曲或（C）壓制時(shí)，透明核的色度響應(yīng)。當(dāng)SLIMS被（D）拉伸，（E）彎曲或（F）壓在染色區(qū)域時(shí)，染色芯的色度響應(yīng)。當(dāng)SLIMS被（G）拉伸，（H）彎曲或（I）壓在染色區(qū)域時(shí)，透明芯的強(qiáng)度響應(yīng)。當(dāng)SLIMS被（J）拉伸，（K）彎曲或（L）壓在染色區(qū)域時(shí)，染色芯的強(qiáng)度響應(yīng)。

當(dāng)染色區(qū)域處于彎曲狀態(tài)（圖1C，彎曲）時(shí)，染色核心中的大多數(shù)光線都可以穿過(guò)染料，從而導(dǎo)致輸出顏色發(fā)生變化。某些不能滿足臨界角的彩色光線會(huì)從染色的核中逸出并進(jìn)入透明的核中。但是，這些光線無(wú)法耦合到透明纖芯。因此，透明芯仍然輸出白光。四個(gè)染色區(qū)域中的每一個(gè)彎曲到最大κ= 0.65 cm-1的曲率，作者測(cè)量了兩個(gè)芯的色度和強(qiáng)度響應(yīng)（圖2，B，E，H和K）。色度圖表明，彎曲時(shí)的顏色響應(yīng)與拉伸響應(yīng)類似：透明的芯輸出保持白色，而染色的芯輸出朝著彎曲的染料區(qū)域改變其顏色（圖2，B和E）。拉伸和彎曲之間的區(qū)別可以通過(guò)比較透明芯的強(qiáng)度輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閺?qiáng)度在彎曲中基本不受影響（圖2H），而在拉伸中則顯著衰減。利用染色芯的衰減（圖2K），SLIMS的彎曲靈敏度計(jì)算為7至24 dB·cm-1。

作者將SLIMS集成到3D打印的柔軟手套中，每個(gè)手指僅使用一個(gè)定制的SLIMS，該SLIMS可以同時(shí)捕獲三個(gè)手指關(guān)節(jié)的本體感覺(jué)和外部按壓的外部感覺(jué)。手指的近端，中部和遠(yuǎn)端分別被離散的紅色，藍(lán)色和綠色染料覆蓋（圖3A）。　

圖3 SLIMS集成的軟手套和多關(guān)節(jié)彎曲的本體感覺(jué)。（A）帶有LED光源和電子模塊的SLIMS集成式柔軟手套的圖像。（B）在五個(gè)不同的多接頭彎曲配置下，兩個(gè)芯的實(shí)時(shí)歸一化強(qiáng)度數(shù)據(jù)。（C）用于多關(guān)節(jié)彎曲解耦的矢量和模型。（D）單接頭彎曲測(cè)量。（E）兩節(jié)彎曲測(cè)量。（F）三關(guān)節(jié)彎曲測(cè)量。（G）使用我們得出的矢量和模型實(shí)時(shí)重建多關(guān)節(jié)彎曲。

對(duì)于本體感受，首先從食指以不同關(guān)節(jié)角度組合彎曲時(shí)從兩個(gè)核心收集RGB強(qiáng)度的原始數(shù)據(jù)（圖3B）。當(dāng)近端或中間關(guān)節(jié)只有一個(gè)彎曲（很難僅彎曲遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)）時(shí)，染色芯會(huì)立即從白色變?yōu)榧t色或藍(lán)色?？梢源_定該彎曲的位置和角度。但是，當(dāng)多個(gè)折彎共存時(shí)，作者觀察到了來(lái)自折彎區(qū)域的顏色混合。因此，需要建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，以消除融合在色度和強(qiáng)度響應(yīng)方面的差異（圖3C）。當(dāng)僅彎曲單個(gè)關(guān)節(jié)時(shí)，首先在SLIMS中測(cè)量染色的芯響應(yīng)，然后對(duì)所有三個(gè)關(guān)節(jié)重復(fù)此測(cè)量。為了分離強(qiáng)度和色度響應(yīng)，作者將RGB強(qiáng)度輸出轉(zhuǎn)換為CIE xyY顏色空間（圖3D）。圖3G和視頻4顯示，手套實(shí)時(shí)執(zhí)行三個(gè)手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的解耦和重建。

圖4 SLIMS集成的軟手套去耦結(jié)合了本體感受和外在感受。（A）在0到30 s內(nèi)，在不同接縫上彎曲和加壓時(shí)，兩個(gè)纖芯的實(shí)時(shí)歸一化RGB強(qiáng)度。壓力檢測(cè)的閾值由灰色框表示。（B）在0到30 s的相同變形下，從歸一化RGB強(qiáng)度得出的實(shí)時(shí)色相值。彩色框顯示確定按下的關(guān)節(jié)的色相值。（C）結(jié)合本體感覺(jué)和外部感覺(jué)的實(shí)時(shí)重建。

對(duì)于同時(shí)進(jìn)行的外在感受，通過(guò)設(shè)置透明芯的歸一化強(qiáng)度輸出的閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)外部按壓與彎曲的解耦（圖4A）。僅在彎曲（0至10 s）的情況下，強(qiáng)度會(huì)略有衰減；當(dāng)在不同關(guān)節(jié)上多次按壓SLIMS（10至30 s）時(shí)，它會(huì)跳躍。將此閾值設(shè)置在0.75到1.0的范圍內(nèi)。當(dāng)歸一化強(qiáng)度超過(guò)此范圍時(shí)，可以確定壓力機(jī)的存在。為了簡(jiǎn)化色度的表示，從透明核心輸出的RGB強(qiáng)度中提取了色相值（圖4B）。色調(diào)表示使能夠定位被按下的區(qū)域。壓制期間施加的力的大小也與此色度值定性地成比例。當(dāng)食指在多個(gè)位置彎曲時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)重建外部壓力機(jī)的位置和大小（圖4C）。