康奈爾大學(xué)“傳感手套” 機(jī)械臂也有觸覺

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

傳導(dǎo)與“觸覺”相關(guān)的彎曲、拉伸等力學(xué)數(shù)據(jù)的傳感器已經(jīng)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(tài)下準(zhǔn)確測(cè)量手部數(shù)據(jù)一直是學(xué)界熱議的課題。

今天，康奈爾大學(xué)研究者在《Science》上發(fā)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(jié)合，創(chuàng)造可拉伸的光纖傳感器，以檢測(cè)壓力、彎曲和應(yīng)變等，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)康復(fù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人感知等領(lǐng)域的應(yīng)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(cè)運(yùn)動(dòng)信息

該柔性傳感器目前的研究成果是一個(gè)3D打印出來的傳感手套，它不僅可以讓人類體驗(yàn)更逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)，也可以成為機(jī)器人更靈活的“雙手”。

▲康奈爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的傳感手套

該套手套的亮點(diǎn)就是每個(gè)手指上的SLIMS傳感器（多模式傳感的可拉伸光導(dǎo)，stretchable lightguide for multimodal sensing ），主要研發(fā)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(tǒng)分布式光纖傳感器能在輕細(xì)柔韌的基礎(chǔ)上還保持的高靈敏度，通常用于在環(huán)境較為惡劣的地區(qū)進(jìn)行液體管道和大壩的滲漏檢測(cè)、鐵路檢測(cè)等，但它們要么只能測(cè)量光、電、力等多種變量其中之一，要么需要安裝復(fù)雜的光學(xué)器件來覆蓋多種變量的監(jiān)測(cè)，這樣就注定無法保證柔性傳感器的輕巧便攜。

▲傳統(tǒng)分布式光纖傳感器

但康奈爾大學(xué)的研究人員將傳統(tǒng)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(xì)區(qū)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(lán)牙，便于手套直接將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚涮总浖?，?duì)手部的運(yùn)動(dòng)和形變進(jìn)行實(shí)時(shí)建模。

二、SLIMS傳感器：康復(fù)、游戲兩不誤

康奈爾大學(xué)機(jī)械和航空航天工程副教授Rob Shepherd領(lǐng)導(dǎo)該傳感器的研究團(tuán)隊(duì)，正在致力于將該傳感器應(yīng)用到物理療法和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用落地。

Shepherd說道：“在現(xiàn)實(shí)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(jī)器人提供了一個(gè)新的方式感知觸覺世界。就像現(xiàn)在手機(jī)攝像頭一樣，我們通過光學(xué)來檢測(cè)觸覺信息，這是最方便、最實(shí)用的擴(kuò)展‘觸覺感知’方式?！?/p>

該研究得到了美國國家科學(xué)基金會(huì)的支持，Bai和Shepherd還正與康奈爾大學(xué)技術(shù)許可中心合作，為該技術(shù)申請(qǐng)專利。

研究團(tuán)隊(duì)表示將利用運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)，拓寬SLIMS傳感器在物理療法和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，目前的技術(shù)難點(diǎn)是如何捕捉力的相互作用。

除了康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用，研究人員還正研究將SLIMS傳感器運(yùn)用于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

Shepherd說：“目前，VR和AR的沉浸感來源于動(dòng)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(fā)出來的傳感手套，那么該游戲可能就會(huì)通過手部的觸感告訴你：‘你把螺母拉得太緊了?！壳爱a(chǎn)業(yè)里還沒有這樣的技術(shù)，我們的SLIMS傳感器會(huì)是他們不錯(cuò)的選擇?！?/p>

結(jié)語：柔性材料，會(huì)大行其道嗎

先有柔性屏大舉進(jìn)軍手機(jī)市場，后有柔性傳感器領(lǐng)域論文頻發(fā)，柔性組件似乎已經(jīng)成為科技領(lǐng)域不大不小的一個(gè)母命題。

隨著智能穿戴、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域?qū)?a target="_blank">產(chǎn)品體驗(yàn)的要求越來越高，可折疊、可拉伸電子組件的優(yōu)勢(shì)也愈加顯眼，如何開發(fā)出不同的材料，創(chuàng)新不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，滿足不同細(xì)分領(lǐng)域的要求并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)落地，相信會(huì)是未來柔性材料發(fā)展的趨勢(shì)。

責(zé)任編輯：PSY