基于光學的多點三軸觸覺壓力傳感

通過高分辨率和高靈敏度的光學系統(tǒng)實現(xiàn)的多點三軸觸覺壓力傳感提供了關于表面壓力分布的豐富信息，并在各種人機交互和機器人應用中發(fā)揮著重要作用。然而，光學系統(tǒng)通常具有龐大的外形尺寸，這給傳感器安裝和系統(tǒng)集成帶來了困難。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，日本東京大學（The University of Tokyo）的研究人員展示了一種通過光學方法構建的柔性薄膜多點三軸壓力傳感器。該傳感器可以檢測3 cm × 4 cm面積上的三軸壓力分布，高精度法向和切向壓力傳感分別高達360 kPa和100 kPa。采用多孔橡膠作為三軸壓敏光調(diào)制器，以在不犧牲靈敏度的情況下省去了厚重且剛性的調(diào)焦系統(tǒng)。此外，通過集成薄且柔的背光層和成像器，該傳感器的總厚度為1.5 mm，即使彎曲到18 mm的半徑也能正常工作。相關研究成果以“An optical-based multipoint 3-axis pressure sensor with a flexible thin-film form”為題發(fā)表在Science Advances期刊上。

該傳感器的主要結構為頂部柔性背光層，中間是半透明多孔橡膠制成的壓敏層，底部是薄膜柔性成像器。當施加壓力時，多孔橡膠的變形將導致橡膠間隙和發(fā)光位置的改變。通過分析成像器上形成光斑的變化，可以重建多點三軸壓力。通過將整個區(qū)域劃分為6 × 8個傳感單元，每個傳感單元可以檢測單點三軸壓力，從而在整個區(qū)域上識別多點三軸壓力分布。

基于光學的多點三軸壓力傳感器的結構

為了實現(xiàn)整體器件的薄度和柔性，制造了薄的背光層以將光引入傳感器。研究人員通過涂覆和剝離方法將TiO2顆粒和PDMS的復合物制成了一種薄且可拉伸的擴散片。背光層為每個傳感單元提供點光源陣列，以實現(xiàn)大面積多點三軸壓力傳感。

多孔橡膠是通過將糖顆粒（granulated sugar）混合到聚二甲基硅氧烷（PDMS）中并在固化后溶解糖而制成的。當在壓力下壓縮時，由于內(nèi)部孔隙的部分閉合，可以發(fā)現(xiàn)橡膠間隙增加，光散射較弱。因此，多孔橡膠成為一種三軸壓敏光傳輸調(diào)制器，利用這種半透明的多孔橡膠介質，所設計的薄膜傳感器可以捕捉到隨施加壓力而發(fā)生的顯著光分布變化。由于使用了塑料薄膜和橡膠材料來構建每個組件，整個傳感器的總厚度為1.5 mm，可以彎曲并安裝在扶手等曲面上。

背光層和多孔橡膠的制備及性能

所開發(fā)傳感器的法向和切向壓力傳感分別高達360 kPa和100 kPa。傳感單元的性能在法向壓力和切向壓力下都表現(xiàn)出良好的響應一致性，并且在重復測試中沒有觀察到退化，表明該傳感器具有良好的再現(xiàn)性和穩(wěn)定性。這得益于簡單可靠的傳感結構設計：法向和切向壓力的響應僅來自光斑的形狀變化，與光強無關，而光斑的形狀變化是具有高彈性變形能力和機械耐久性的多孔PDMS橡膠的直接響應。

傳感器特性

總而言之，研究人員開發(fā)了一種大面積柔性壓力傳感器，可以在3 cm × 4 cm的區(qū)域內(nèi)通過6 × 8個檢測點檢測三軸壓力分布。該傳感器由塑料材料制成，具有薄膜形式，可以很容易地附著在各種曲面上。精確的法向和切向壓力檢測分別超過360 kPa和100 kPa，確保傳感器具有寬的動態(tài)范圍，從而可以適應不同的觸覺交互場景。這種薄而柔的結構和壓力檢測能力使其能夠提供前所未有的三軸壓力分布信息，有助于在不同領域實現(xiàn)先進的壓力跟蹤、抓握控制和滑移檢測。

編輯：黃飛

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