智東西11月23日消息，漫威世界里的炫酷機械臂吸引了無數人的目光，但裝上機械臂很重要的一步就是讓手臂先擁有“觸覺”。

傳導與“觸覺”相關的彎曲、拉伸等力學數據的傳感器已經非常常見，但如何讓傳感器貼合不平坦的皮膚表面，并且在彎曲、折疊的形態下準確測量手部數據一直是學界熱議的課題。

今天，康奈爾大學研究者在《Science》上發表《可拉伸分布式光纖傳感器（Stretchable ‘skin’ sensor gives robots human sensation）》，旨在通過將低成本LED與染料結合，創造可拉伸的光纖傳感器，以檢測壓力、彎曲和應變等，實現運動康復、虛擬現實、機器人感知等領域的應用。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/370/6518/848

一、雙段彈性光纖：從光路變化測運動信息

該柔性傳感器目前的研究成果是一個3D打印出來的傳感手套，它不僅可以讓人類體驗更逼真的虛擬現實、進行運動康復，也可以成為機器人更靈活的“雙手”。

▲康奈爾大學研究團隊研發的傳感手套

該套手套的亮點就是每個手指上的SLIMS傳感器（多模式傳感的可拉伸光導，stretchable lightguide for multimodal sensing ），主要研發人員之一Hedan Bai曾表示SLIMS的靈感來自于二氧化硅材料的分布式光纖傳感器。

傳統分布式光纖傳感器能在輕細柔韌的基礎上還保持的高靈敏度，通常用于在環境較為惡劣的地區進行液體管道和大壩的滲漏檢測、鐵路檢測等，但它們要么只能測量光、電、力等多種變量其中之一，要么需要安裝復雜的光學器件來覆蓋多種變量的監測，這樣就注定無法保證柔性傳感器的輕巧便攜。

▲傳統分布式光纖傳感器

但康奈爾大學的研究人員將傳統二氧化硅等材料換成了雙段聚氨酯彈性光纖，與普通彈性光纖不同的是，該光纖一段是透明的，相鄰的另一段則填充了不同顏色的可吸收染料。

無論是透明還是有色光纖，都與RGB傳感器芯片耦合，該RGB傳感器芯片通過光路在不同段光纖上的幾何變化，判斷手部的彎曲、拉伸和局部壓縮，空間分辨率（遙感圖像上能夠詳細區分最小單元的尺寸或大小）低至約1厘米。

▲雙段聚氨酯彈性光纖

研究人員還為傳感手套配備了鋰電池和藍牙，便于手套直接將檢測到的數據傳輸到配套軟件，對手部的運動和形變進行實時建模。

二、SLIMS傳感器：康復、游戲兩不誤

康奈爾大學機械和航空航天工程副教授Rob Shepherd領導該傳感器的研究團隊，正在致力于將該傳感器應用到物理療法和運動醫學領域中，實現商業化應用落地。

Shepherd說道：“在現實生活中，我們通常通過視覺，而不是觸覺去感受周圍的世界。這種‘傳感’皮膚為我們、或者機器人提供了一個新的方式感知觸覺世界。就像現在手機攝像頭一樣，我們通過光學來檢測觸覺信息，這是最方便、最實用的擴展‘觸覺感知’方式。”

該研究得到了美國國家科學基金會的支持，Bai和Shepherd還正與康奈爾大學技術許可中心合作，為該技術申請專利。

研究團隊表示將利用運動追蹤技術，拓寬SLIMS傳感器在物理療法和運動醫學領域的應用，目前的技術難點是如何捕捉力的相互作用。

除了康復領域的應用，研究人員還正研究將SLIMS傳感器運用于虛擬現實和增強現實。

Shepherd說：“目前，VR和AR的沉浸感來源于動作捕捉，而不是玩家能觸碰到虛擬世界里的事物。比如你想玩一款增強現實游戲，比如，教你如何修理汽車或更換輪胎。如果你戴著我們研發出來的傳感手套，那么該游戲可能就會通過手部的觸感告訴你：‘你把螺母拉得太緊了。’目前產業里還沒有這樣的技術，我們的SLIMS傳感器會是他們不錯的選擇。”

結語：柔性材料，會大行其道嗎

先有柔性屏大舉進軍手機市場，后有柔性傳感器領域論文頻發，柔性組件似乎已經成為科技領域不大不小的一個母命題。

隨著智能穿戴、虛擬現實等領域對產品體驗的要求越來越高，可折疊、可拉伸電子組件的優勢也愈加顯眼，如何開發出不同的材料，創新不同的設計結構，滿足不同細分領域的要求并實現產業落地，相信會是未來柔性材料發展的趨勢。

責任編輯：PSY