文/陈根

一直以来,对于智能机器人的改进都是科学家致力探索的重要方向。对于智能机器人的传感部分来说,智能传感器对于机器人的机动性、适应性和智能化水平具有重要作用,人类的感受系统对外部世界信息的感知之精巧,也一直是人工智能发展方向的重要参照。

近日,康奈尔大学的研究人员就发明了一种光纤传感器,它将低成本的发光二极管和染料结合在一起,形成了一种可伸缩的“皮肤”,可以检测压力、弯曲和应变等变形。这种传感器可以让柔软的机器人系统——以及任何使用增强现实技术的人——都能感受到哺乳动物在自然界中所依赖的丰富的触觉感受。

事实上,该项目建立在2016年Shepherd's Organic Robotics Lab早期制造的可伸缩传感器上,其中光线通过光导纤维发送,光电二极管检测到光束强度的变化,以确定材料是否变形。

这种分布式光纤传感器已用于监测桥梁、道路和建筑物等刚性基础设施中的机械变形,但这种分布式光纤传感器也有其局限——要么仅限于测量一个变量,要么需要复杂的光学元件来测量多种特性。

而对于新项目,研究人员则从基于二氧化硅的分布式光纤传感器中获得灵感,该传感器能够检测微小的波长变化,以此来识别多种属性,包括湿度、温度和应变的变化。

然而,硅纤维与柔软和可拉伸的电子产品不兼容,解决的办法是制作一种用于多模态传感的可拉伸光导(SLIMS)传感器。这是内置一对聚氨酯弹性体芯子的管路,其中一个芯是透明的,另一个芯在多个位置填充了吸收染料,并连接到一个LED,每个芯都连接着一个红绿蓝传感器芯片,能够记录光的光路的几何变化。

双核心设计增加了传感器可用于检测一系列变形的输出数量,包括压力、弯曲或伸长,它通过点亮作为空间编码器的染料来指示变形。该技术与一个数学模型相配合,能够将不同的变形解耦,并精确地确定它们的确切位置和幅度。

在研究中,研究人员还通过一个可伸展的DFOS集成无线手套进一步演示了多位置解耦和多模式变形解耦,该手套可同时重新配置所有类型的手指关节运动和外部按压,仅需一个实时传感器。

对于未来来说,这种传感器显然可以使用分辨率较低的小型光电子器件工作,使其成本更低,更容易制造和集成到系统中。时下,研究人员正致力于将该技术商业化,用于物理治疗和运动医学。

其研究结果“可伸缩分布式光纤传感器”,已发表在11月13日的《科学》杂志上。