一種模擬皮膚觸覺的柔性仿生光纖觸覺傳感器

撰稿 | 北京航空航天大學 ?博士生?尚策?（論文第一作者） ?01???導讀 人類皮膚是一個由多種感覺受體構成的復雜感覺網絡，可以準確地感知和區分各種熱刺激和機械刺激。仿生觸覺傳感器能夠模擬人類皮膚的感覺功能，對于皮膚修復、輔助機器人和健康監測等領域具有重要意義。

近日，北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院郭晶晶、付博副教授課題組在ACS Applied Materials & Interface期刊上發表了題為“Soft Biomimetic Fiber-Optic Tactile Sensors Capable of Discriminating Temperature and Pressure”的研究性論文，北京航空航天大學付博副教授和博士生尚策為論文的共同第一作者，郭晶晶副教授為論文的通訊作者。

該論文提出了一種模擬皮膚觸覺的柔性仿生光纖觸覺傳感器，能夠同時檢測和區分溫度和壓力。傳感器采用彎曲光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）為敏感元件，結合液滴狀的彈性體材料對FBG進行包裹封裝。利用FBG和彎曲光纖激發的回音壁模式（Whispering Gallery Modes，WGMs）對溫度和壓力的不同敏感性，實現了對壓力和溫度的完全解耦。為進一步簡化信號解調系統，還設計了一種單腔雙光梳光纖激光器作為傳感光源，通過單個光電探測器實現快速的光譜采樣。該傳感器不僅具有高靈敏度、高穩定性和低成本等優點，還能通過觸摸實時感知接觸壓力、溫度和硬度，這對于軟組織觸診和仿生機器人感知有著重要的應用價值。?

圖1 光纖觸覺傳感器工作示意圖。

圖源: ACS Applied Materials & Interface（2023）

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c12712（Toc）

?02??研究背景

觸覺感知是人類與外界環境進行協調交互的重要功能，它可以幫助人類感知和識別物體的不同物理屬性。柔性觸覺傳感器可以模擬人體皮膚的感覺功能，在智能機器人、醫療監測、人機交互等領域具有重要的應用潛力。在過去的十年中，研究人員開發了一系列能夠感知溫度、壓力、振動等熱刺激和機械刺激的電子觸覺傳感器。然而，大多數柔性觸覺傳感器是基于功能性的導電材料，將外部刺激轉換為電阻、電容或電流等電信號，存在感知信息單一、信號串擾等問題，難以識別多種刺激信號。有些研究者試圖將多個傳感單元集成到一個混合感覺系統中，以實現對不同觸覺刺激的有效檢測和區分。但是，這些方法需要異質集成不同的傳感材料，以及復雜的布線來連接各個組件，增加了工藝復雜性和制造成本。因此，如何在單個傳感器設計中同時實現對熱刺激和機械刺激的檢測和識別仍面臨挑戰。

光纖傳感器是實現多參量觸覺感知極具潛力的技術之一，將外部刺激轉換為傳輸光信號的物理特性變化，具有高靈敏度、小尺寸、不受電磁干擾和固有電隔離等優勢。利用光纖光柵、干涉儀、微納光纖等結構，研究人員已經開發出了各種類型的光纖觸覺傳感器。然而，由于光纖的熱光效應和彈光效應，這些傳感器往往存在溫度和壓力的交叉敏感問題。此外，高硬度、剛性的光纖材料也限制了傳感器與軟生物系統的機械匹配性，影響了其在生物醫學領域的應用。

?03???創新研究 3.1 基本理論和方法

該工作提出了一種柔性仿生光纖觸覺傳感器，能夠同時感知并區分溫度和壓力刺激（圖2）。傳感器采用彎曲FBG為敏感元件，利用FBG和彎曲光纖激發的WGMs對溫度和壓力的敏感性差異，成功實現了溫度和壓力的完全解耦。為賦予傳感器機械柔韌性和可變形性，采用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）對彎曲FBG進行封裝包裹。同時，PDMS的高熱光學系數和低彈性模量，可顯著增強傳感器對溫度和壓力的敏感性。該傳感器在透射譜中表現出兩種諧振模式，分別對應于傳感FBG和沿彎曲光纖激發的WGMs。為實現對傳感器的光譜解調，該工作設計并構建了一種基于碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）鎖模的偏振復用型單腔雙光梳激光器。由于單腔雙光梳激光器輸出兩列鎖模脈沖經歷相同的環境，可以有效的抑制共模噪聲對傳感信號的影響，因此不需要復雜的頻率鎖定系統來保證兩個頻率梳之間的相干性，降低成本的同時，極大的簡化了雙光梳系統的結構。利用該偏振復用型單腔雙光梳激光器作為光源，將光信號從光頻信號轉換到射頻信號，以緊湊的結構實現了對傳感器光譜的快速、高分辨測量。

圖2 光纖觸覺傳感器及其傳感解調原理。

圖源: ACS Applied Materials & Interface（2023） https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c12712（Fig. 1）

采用有限元建模（FEM）方法以及光束傳播法（Beam PROP）對光纖觸覺傳感原理進行了理論數值分析，研究了傳感器在不同的壓力和溫度作用下的響應機理。具體的，當傳感器受到外力作用時會引起彈性體形變，使得FBG的彎曲半徑和軸向應變發生變化，從而導致FBG和WGMs的特征波長漂移。此外，由于材料的熱光效應和熱膨脹效應，FBG和WGMs的諧振峰均呈現出溫度依賴性。有趣的是，相比于FBG，隨著溫度的升高，WGMs諧振峰朝著相反的方向移動。這種現象是由于WGMs沿著光纖PI涂層-PDMS界面傳播，而PI涂層和PDMS都具有較大的負熱光系數。數值分析結果表明，傳感器對壓力和溫度具有線性的響應特性，且FBG和WGMs表現出不同的壓力、溫度靈敏系數。進一步，基于雙光梳光譜檢測系統，實驗測試了傳感器在不同溫度和壓力下的響應特性。根據波長漂移量與溫度、壓力之間的關系，構建了傳感器的溫度壓力靈敏度矩陣。傳感器對溫度和壓力均具有良好的線性度和重復性，與數值仿真結果基本吻合（圖3）。

圖3 基于雙光梳光譜解調的壓力、溫度傳感特性。

圖源: ACS Applied Materials & Interface（2023） https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c12712（Fig. 2）

利用靈敏度函數矩陣對傳感器的溫度、壓力響應信號進行解耦驗證，如圖4所示。根據FBG和WGMs的波長漂移量解耦得到溫度和壓力的估計值。實驗結果表明，估計值和參考值之間具有高度的一致性，均方根誤差（RMSE）為0.8 mN和0.2℃，使得傳感能夠以較低的相對誤差（<5%）識別壓力和溫度刺激，驗證了解耦方法的可行性。此外，該論文還對傳感器進行了壓力和溫度的穩定性和抗疲勞測試。結果顯示，在連續多次測試下，傳感器沒有出現明顯的性能下降，表現出良好的穩定性和重復性。

圖4 壓力和溫度雙參量解耦的可行性驗證。

圖源: ACS Applied Materials & Interface（2023） https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c12712（Fig. 3）

?03???創新研究 該論文提出了一種新型柔性光纖觸覺傳感器，能夠同時感知和區分溫度和壓力刺激。傳感器由PDMS封裝的彎曲FBG構成，結合單腔雙光梳光纖激光器，以緊湊的結構實現了對傳感器光譜的快速、高分辨測量。該傳感器對溫度和壓力均具有良好的線性度和重復性，靈敏度系數分別為?0.324 nm/℃和?14.737 nm/N。此外，該傳感器能夠以0.2 ℃和0.8 mN的精度區分溫度和壓力刺激，實現精確的觸覺感知應用。進一步，論文還展示了傳感器在軟組織觸診中，實時感知壓力、溫度和硬度的能力，如圖5所示。該傳感方案結構簡單、成本低，為實現多參量觸覺感知提供了一種新型的光學策略，在仿生機器人、智能假肢和人機交互等領域具有潛在的應用前景。

圖5 傳感器的應用展示。

圖源: ACS Applied Materials & Interface（2023） https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c12712（Fig. 4）

?05???作者簡介 ? ? 尚策（論文共同第一作者）博士研究生

尚策，2015年和2018年于河北師范大學物理學院獲得學士學位和碩士學位，現于北京航空航天大學攻讀博士學位，研究方向為新型柔性光學傳感器及其應用。迄今為止，在Applied Physics Reviews, ACS Applied Materials & Interfaces, Advanced Materials Technologies等期刊發表SCI論文13篇，其中第一作者論文6篇。申請發明專利11項，已授權10項。 ? 付博（論文共同第一作者）副教授

付博，北京航空航天大學副教授，北京航空航天大學“醫工百人”，北航青年拔尖人才，博士生導師。2015年于清華大學精密儀器系獲博士學位，博士畢業后，于英國劍橋大學從事博士后研究，2018年入職北京航空航天大學。所獲榮譽包括中國儀器儀表學會科技進步二等獎，清華大學“優秀博士學位論文”、“學術新秀”，“NSK機械工學優秀論文”，北京市優秀本科畢業設計指導教師等?，F任全國光電測量標準化技術委員會委員，中國激光雜志社編委會委員，國家自然科學基金委、國家公派訪問學者/留學基金委、教育部學位中心評審專家，清華校友導師，IEEE Senior Member，“Nanomaterials”客座主編，多次國際會議特邀報告，并擔任分會主席。發表Advanced Functional Materials（卷首封面）、Small（封底，ESI高被引論文）、Advanced Optical Materials（內封面）、Laser & Photonics Review（封底）、Applied Physics Reviews等論文80余篇，申請發明專利20余項。 ? 郭晶晶（論文通訊作者）副教授

郭晶晶，北京航空航天大學副教授，博士畢業于清華大學精儀系，2015-2016年獲國家留學基金委資助赴哈佛大學醫學院聯合培養。主要從事柔性光子材料與器件基礎科學及應用領域研究，曾獲全國光學工程學科優秀博士學位論文獎、金國藩青年學子獎、王大珩光學獎、清華大學優秀博士后，入選人社部第三批“博士后創新人才支持計劃”、“北航青年拔尖人才支持計劃”，主持國家自然科學基金面上、青年項目及企業委托等課題。迄今為止，以（共）第一/通訊作者在Advanced Materials、Science Advances、Advanced Functional Materials、Optica等重要期刊發表論文近30篇，研究成果曾被MIT News，Optics & Photonics News, Laser Focus World等權威學術媒體15次突出報道。擔任《光學學報》、View青年編委、Applied Science 客座編輯、IEEE senior Member、中國人工智能學會青工委委員。

審核編輯：黃飛

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