新型壓力傳感器使人造皮膚擁有更好的觸摸感

由一系列并排運(yùn)行的波導(dǎo)組成（頂部圖片所示）的壓力傳感器。當(dāng)波導(dǎo)之間的間隙變窄，來自通道1的光線可以跳入到通道2（底部圖片所示）。壓力越大，間隙越窄，因此更多的光線會(huì)從通道1進(jìn)入通道2。圖片來源：韓國大田電子和電信研究所據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，韓國科學(xué)家研發(fā)出一種基于光照的新型壓力傳感器，它可以創(chuàng)建更為敏感的人造皮膚，使機(jī)器人、可穿戴人體血壓監(jiān)測(cè)儀和光學(xué)透明的觸摸屏及設(shè)備更好的觸摸感。

研究人員在光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）的期刊Optics Letters上報(bào)告了這種新型壓力傳感器。該傳感器通過分析嵌入在聚二甲基硅氧烷（PDMS，一種常見的有機(jī)硅）中的微小隧道的光量變化來檢測(cè)壓力。研究人員表示，與之前的壓力傳感器相比，哪怕是非常輕微的壓力，這種靈活、透明的設(shè)備也能感應(yīng)到，而且不易發(fā)生故障，因此將嵌入式光學(xué)傳感器穿過大面積區(qū)域也是可行的。韓國大田電子和電信研究所的Suntak Park說：“有機(jī)硅片可以放在顯示器面板上以啟用觸摸屏，或者可以作為人造皮膚層包裹在機(jī)器人表面，用于觸覺交互?？紤]到PDMS是一種非常知名的生物兼容且無毒的材料，傳感器片甚至可以應(yīng)用于人體上或人體內(nèi)部，例如，可用于人體血壓監(jiān)測(cè)。”在諸如空氣動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)等研究領(lǐng)域，測(cè)量曲面上的壓力分布非常重要。Park表示，該傳感器可用于研究飛機(jī)、汽車和船舶表面的壓力效應(yīng)。

避免干擾

如今現(xiàn)有的壓力傳感器大多數(shù)都是基于電子器件的。例如，通常用作加速度計(jì)、流量計(jì)和氣壓傳感器的壓阻傳感器，在受到機(jī)械應(yīng)變時(shí)會(huì)改變其電阻大小。而電子系統(tǒng)的問題在于它們可能會(huì)受到來自電源、附近儀器和帶電物體的電磁干擾。它們還含有金屬成分，可以阻擋光線進(jìn)入并受到侵蝕?！拔覀兊膫鞲衅骶筒粫?huì)出現(xiàn)這些問題，因?yàn)閭鞲醒b置嵌入在硅橡膠板中間?！盤ark說，“與電氣方法相比，我們的光學(xué)方法更適用于大面積的、抗電磁干擾和高視覺透明度的應(yīng)用?！?/p>

利用光照感測(cè)壓力

文章開頭提到的裝置的工作原理是通過精確排列的一對(duì)微管（即光子隧道結(jié)陣列）來測(cè)量光的流動(dòng)?！皦好艄庾铀淼澜Y(jié)陣列由光導(dǎo)通道組成，外部壓力會(huì)改變通過它們傳輸?shù)墓獾牧炼?。”Park說，“這就類似于閥門或水龍頭在分流節(jié)點(diǎn)上的工作方式?！边@些管道或波導(dǎo)彼此平行嵌入在PDMS中。有一部分管道之間距離足夠近，就能夠使通過第一管道（通道1）的光進(jìn)入到第二通道（通道2）。當(dāng)施加壓力時(shí)，PDMS被壓縮，就可以改變通道之間的間距，那么會(huì)有更多的光進(jìn)入通道2。同時(shí)，壓力的增加還會(huì)引起PDMS中光線折射率的改變。光線通過一端的光纖進(jìn)入設(shè)備，由另一端的光電二極管收集。隨著壓力的增加，通道1中的光線越來越少，更多的光線涌入到通道2中。通過測(cè)量來自每條通道遠(yuǎn)端的光的亮度，研究人員可以知曉施加了多少壓力。雖然已經(jīng)開發(fā)出了其他光學(xué)壓力傳感器，但這是第一個(gè)將傳感結(jié)構(gòu)嵌入到PDMS內(nèi)的器件。而嵌入式設(shè)備可以保護(hù)系統(tǒng)免受侵害。

測(cè)試結(jié)果

為了測(cè)試該裝置，研究人員在傳感器頂部放置了一個(gè)“壓力觸點(diǎn)”并逐漸增加壓力。在一個(gè)長度為5mm的傳感器中嵌入50μm厚的PDMS板，研究人員在大約40千帕（kPa）的壓力下，測(cè)量出光學(xué)功率的變化為140%。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，該裝置能夠檢測(cè)低至1kPa的壓力，與人類手指的敏感度大致相同。而心跳之間的血壓變化約為5千帕，因此該裝置完全可用于人體血壓監(jiān)測(cè)。Park說，我們需要采取幾個(gè)步驟讓傳感器從實(shí)驗(yàn)室走出，應(yīng)用到實(shí)際設(shè)備上。一是開發(fā)一種更簡(jiǎn)單的方式來連接將光線移入和移出傳感器的光纖。在開發(fā)原型時(shí)，研究小組就使用了精密校準(zhǔn)工具，不過這對(duì)于大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用來說過于昂貴和耗時(shí)。如今有一種被稱為尾纖的替代方法，電信公司用它來耦合系統(tǒng)中的光纖，應(yīng)該會(huì)讓這個(gè)過程更容易一點(diǎn)。此外，該小組還使用了一維傳感器測(cè)試了他們的設(shè)備，而大多數(shù)應(yīng)用需要二維傳感器陣列。該測(cè)試通過將一維薄片旋轉(zhuǎn)90度，再將其放置在另一個(gè)薄片上面，從而創(chuàng)建交叉陰影陣列來實(shí)現(xiàn)。傳感器的尺寸和間距需要針對(duì)不同的應(yīng)用進(jìn)行改變或優(yōu)化。