新型光学压力传感器赋予人造皮肤更好的触摸感

sukiyaki · 发表于 2019-4-19 15:57:10

由一系列并排运行的波导组成（顶部图片所示）的压力传感器。当波导之间的间隙变窄，来自通道1的光线可以跳入到通道2（底部图片所示）。压力越大，间隙越窄，因此更多的光线会从通道1进入通道2。
图片来源：韩国大田电子和电信研究所

据麦姆斯咨询报道，韩国科学家研发出一种基于光照的新型压力传感器，它可以创建更为敏感的人造皮肤，使机器人、可穿戴人体血压监测仪和光学透明的触摸屏及设备更好的触摸感。

研究人员在光学学会（OSA）的期刊Optics Letters上报告了这种新型压力传感器。该传感器通过分析嵌入在聚二甲基硅氧烷（PDMS，一种常见的有机硅）中的微小隧道的光量变化来检测压力。研究人员表示，与之前的压力传感器相比，哪怕是非常轻微的压力，这种灵活、透明的设备也能感应到，而且不易发生故障，因此将嵌入式光学传感器穿过大面积区域也是可行的。

韩国大田电子和电信研究所的Suntak Park说：“有机硅片可以放在显示器面板上以启用触摸屏，或者可以作为人造皮肤层包裹在机器人表面，用于触觉交互。考虑到PDMS是一种非常知名的生物兼容且无毒的材料，传感器片甚至可以应用于人体上或人体内部，例如，可用于人体血压监测。”

在诸如空气动力学和流体动力学等研究领域，测量曲面上的压力分布非常重要。Park表示，该传感器可用于研究飞机、汽车和船舶表面的压力效应。

避免干扰

如今现有的压力传感器大多数都是基于电子器件的。例如，通常用作加速度计、流量计和气压传感器的压阻传感器，在受到机械应变时会改变其电阻大小。而电子系统的问题在于它们可能会受到来自电源、附近仪器和带电物体的电磁干扰。它们还含有金属成分，可以阻挡光线进入并受到侵蚀。

“我们的传感器就不会出现这些问题，因为传感装置嵌入在硅橡胶板中间。”Park说，“与电气方法相比，我们的光学方法更适用于大面积的、抗电磁干扰和高视觉透明度的应用。”

利用光照感测压力

文章开头提到的装置的工作原理是通过精确排列的一对微管（即光子隧道结阵列）来测量光的流动。“压敏光子隧道结阵列由光导通道组成，外部压力会改变通过它们传输的光的亮度。”Park说，“这就类似于阀门或水龙头在分流节点上的工作方式。”

这些管道或波导彼此平行嵌入在PDMS中。有一部分管道之间距离足够近，就能够使通过第一管道（通道1）的光进入到第二通道（通道2）。当施加压力时，PDMS被压缩，就可以改变通道之间的间距，那么会有更多的光进入通道2。同时，压力的增加还会引起PDMS中光线折射率的改变。

光线通过一端的光纤进入设备，由另一端的光电二极管收集。随着压力的增加，通道1中的光线越来越少，更多的光线涌入到通道2中。通过测量来自每条通道远端的光的亮度，研究人员可以知晓施加了多少压力。

虽然已经开发出了其他光学压力传感器，但这是第一个将传感结构嵌入到PDMS内的器件。而嵌入式设备可以保护系统免受侵害。

测试结果

为了测试该装置，研究人员在传感器顶部放置了一个“压力触点”并逐渐增加压力。在一个长度为5mm的传感器中嵌入50μm厚的PDMS板，研究人员在大约40千帕（kPa）的压力下，测量出光学功率的变化为140%。这个实验表明，该装置能够检测低至1kPa的压力，与人类手指的敏感度大致相同。而心跳之间的血压变化约为5千帕，因此该装置完全可用于人体血压监测。

Park说，我们需要采取几个步骤让传感器从实验室走出，应用到实际设备上。一是开发一种更简单的方式来连接将光线移入和移出传感器的光纤。在开发原型时，研究小组就使用了精密校准工具，不过这对于大多数商业应用来说过于昂贵和耗时。如今有一种被称为尾纤的替代方法，电信公司用它来耦合系统中的光纤，应该会让这个过程更容易一点。

此外，该小组还使用了一维传感器测试了他们的设备，而大多数应用需要二维传感器阵列。该测试通过将一维薄片旋转90度，再将其放置在另一个薄片上面，从而创建交叉阴影阵列来实现。传感器的尺寸和间距需要针对不同的应用进行改变或优化。

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