病人見不到醫(yī)生，卻能通過一款可穿戴設(shè)備，讓醫(yī)生通過屏幕獲悉其相關(guān)數(shù)據(jù);球場上的運動員，戴上這款可穿戴設(shè)備，就能實時監(jiān)測球員數(shù)據(jù)，教練就能針對性地訓練球員;在家干活擰螺絲時，不知道怎么用力?戴上設(shè)備并連上電腦，電腦就能告知你用的力氣是大是小。

該設(shè)備是一款 3D 打印的柔軟手套，它演示了一種由彈性體光導平行組件構(gòu)成的傳感器，相關(guān)研究以《可拉伸的分布式光纖傳感器》為題發(fā)表在 Science 上，由正在康納爾大學讀博的白鶴丹和李碩研發(fā)。

27 歲的白鶴丹是該論文一作，她來自遼寧鞍山，自本科起便留學該校，本科時讀的雙專業(yè)：機械工程、運籌學與信息工程，直博期間就讀于機械工程專業(yè)。

她告訴 DeepTech，手套只是一個演示，本次研究真正的創(chuàng)新點是光纖傳感。目前，業(yè)界所有柔性傳感器都存在共同的局限性，即只能輸出一種信號，但是傳感器會有多種形變，這樣一對多的關(guān)系會導致只根據(jù)一種信號，很難判斷出形變過程。

而基于二氧化硅的分布式光纖傳感器(DFOS，Distributed Fiber Optic Sensing)系統(tǒng)已廣泛應用在諸多場景，如檢測不可擴展結(jié)構(gòu)中的壓力、振動、加速度、溫度等。

在可拉伸 DFOS 系統(tǒng)中，白鶴丹設(shè)計了兩種彩色染料圖案，一種是連續(xù)梯度染料圖案，可獲得單模變形的連續(xù)空間分辨率，另一種是離散色塊圖案，它能用離散空間分辨率去測量和解耦多種變形模式。

為演示該系統(tǒng)的多功能性，白鶴丹主要采用離散色塊圖案進行設(shè)計，并將其命名為可拉伸的多模態(tài)傳感光導板(SLIMS)。

如下圖所示，SLIMS 由兩個聚氨酯彈性體芯組成：分別是摻雜了吸收染料的染色芯、和一個不帶染料的透明芯。白色發(fā)光二極管的一端耦合到染色芯，另一端則放有兩個紅綠藍的傳感器芯片，其中一個傳感器芯片耦合到染色芯，另一個傳感器芯片耦合透明芯。通過觀察染色芯和透明芯的色度以及強度輸出，就能確定目標物變形的位置、大小和模式。

安裝在染色芯上的白色發(fā)光二極管的視角為 110°，所以來自同一發(fā)光二極管的光線也可以進入透明芯，透明芯中摻雜的染料可充當顏色代碼，由于染料圖案的深度比染色芯低很多，因此很少有光線能以未變形形態(tài)穿過染料。當光線未變形時，染色芯和透明芯均呈現(xiàn)出白色。

當染色區(qū)域被拉伸時，該區(qū)域中的光路長度增加，從而會引起染料更多的吸收，輸出的光也會隨著相應顏色而變化。根據(jù)比爾 - 朗伯特定律( Beer-Lambert law)，由于拉伸會增加兩個核心的光路，因此兩個核心的光輸出強度都會降低。

如下圖所示，拉伸的多模態(tài)傳感光導板(SLIMS)的表征表明，隨著任何單個染色區(qū)域的拉伸，透明芯中無法再觀察到色度變化。基于染色芯的衰減，SLIMS 的應變靈敏度在 150%的范圍內(nèi)落在 2 至 5 dBε-1 內(nèi)伸長(其中 ε 為應變)，并能以 0.5 毫米的預應變獲得 0.1 毫米的分辨率。

而當染色區(qū)域處于彎曲狀態(tài)時，染色芯中的大多數(shù)光線都能穿過染料，輸出顏色也會發(fā)生變化。某些不能滿足臨界角的彩色光線，會從染色芯中溢出并進入透明芯中，但是這些光線無法耦合到透明芯，因此透明芯仍然輸出白光。

具體來說，四個染色區(qū)域每一個都可彎曲到最大 κ= 0.65 cm-1 的曲率，白鶴丹測量了兩個芯的色度和強度響應后發(fā)現(xiàn)，染色區(qū)域彎曲時的顏色響應與拉伸響應類似，透明芯輸出保持白色，而染色芯的輸出會朝著彎曲染料區(qū)域去改變顏色。

由于強度在彎曲中基本不受影響，但會在拉伸中明顯衰減，因此上述拉伸和彎曲的區(qū)別，可通過比較透明芯的強度輸出來實現(xiàn)。通過染色芯的衰減，SLIMS 的彎曲靈敏度為 7 至 24 dBcm-1。

用 3D 打印的柔軟手套來演示 SLIMS

為展示上述過程，白鶴丹把 SLIMS 集成到 3D 打印的柔軟手套中，手指的近端、中端和遠端分別被離散的紅藍綠染料覆蓋，此外每個手指僅使用一個定制 SLIMS，該 SLIMS 可以同時捕獲三個手指關(guān)節(jié)的本體感覺、和外部按壓的外部感覺。

當食指以不同關(guān)節(jié)角度組合彎曲時，白鶴丹開始從透明芯、和染色芯中收集 RGB 強度的原始數(shù)據(jù)，當食指近端或中端關(guān)節(jié)只有一個彎曲時，染色芯會立馬從白色變?yōu)榧t色或藍色，根據(jù)顏色變化就能確定關(guān)節(jié)彎曲位置和角度。

而當多個關(guān)節(jié)折彎共存時，白鶴丹發(fā)現(xiàn)折彎區(qū)域開始出現(xiàn)顏色混合，因此需要建立一個數(shù)學模型，來消除色度和強度響應方面的差異。

如下圖所示，當僅彎曲單個手指關(guān)節(jié)時，她先在 SLIMS 中測量染色芯的響應，然后對所有三個關(guān)節(jié)重復上述測量。而為了分離強度響應和色度響應，白鶴丹將 RGB 強度輸出轉(zhuǎn)換為 CIE xyY 顏色空間，這樣便可實現(xiàn)手套實時執(zhí)行三個手指關(guān)節(jié)運動的解耦和重建。

對于同時進行的外在感受，白鶴丹通過設(shè)置透明芯的歸一化強度輸出的閾值，來實現(xiàn)外部按壓與彎曲的解耦，在手指關(guān)節(jié)彎曲 0 至 10 s 的情況下，強度會略有衰減，當在不同手指關(guān)節(jié)上按壓 SLIMS 10 至 30 s 時，透明芯就會跳躍。

基于此，她將此閾值設(shè)置在 0.75 到 1.0 的范圍內(nèi)，當歸一化強度超過此范圍時，就能確定壓力的存在。

為了簡化色度表示，她從透明核心輸出的 RGB 強度中提取了色相值，壓制期間施加的力氣大小，也與此色相值成定性比例，當食指在多個位置彎曲時，就能實時重建外部壓力的位置和大小。

明年將有相關(guān)產(chǎn)品問世

談及該研究的落地，白鶴丹表示她的導師 Robert F. Shepherd 教授已經(jīng)有一個創(chuàng)業(yè)公司，目前正在基于該研究研發(fā)產(chǎn)品，預計明年將推出相關(guān)產(chǎn)品。

除用手套檢測外界變化之外，他們還能把可拉伸 DFOS 系統(tǒng)縫到衣服上去監(jiān)測各種信號。

白鶴丹告訴 DeepTech，以體育數(shù)據(jù)分析為例，其在美國已經(jīng)是相對成熟的產(chǎn)業(yè)，有些球隊聯(lián)盟通過數(shù)據(jù)采集和分析來制定戰(zhàn)術(shù)，進而提高球員訓練水平。2011 年，有一部改編自紀實書的電影《點球成金》( Moneyball )， 講的是一個棒球隊用這種方式，用小成本連年贏得MLB(美國職業(yè)棒球大聯(lián)盟)冠軍的故事，這也算是美國體育數(shù)據(jù)分析產(chǎn)業(yè)的開端。

但是現(xiàn)在大家更感興趣的是，如何獲取球員的數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)再聯(lián)系到球員的比賽表現(xiàn)，教練就可以實時地判斷誰是好球員，以及球員在哪方面存在問題，從而來制定個性化訓練教程。

為保證產(chǎn)品可以真正滿足用戶需求，白鶴丹專門去采訪當?shù)孛绹羟蚵?lián)盟的一百多位專業(yè)人士，去了解他們的訴求。期間她發(fā)現(xiàn)，教練和球員對他們的傳感器很感興趣，一直問是否有相關(guān)產(chǎn)品。

目前，白鶴丹已完成康奈爾商業(yè)化獎學金項目探索市場，希望借此將團隊研發(fā)成功產(chǎn)業(yè)化。明年她要去美國西北大學柔性電子領(lǐng)域領(lǐng)軍人物 John Rogers 組做柔性電子的博后研究，以后準備做教職，同時希望能探索出未來實驗成果產(chǎn)業(yè)化的可能性。對于這位 27 歲的博士五年級女孩來說，她的路還有很長很長，未來也有無限可能。