基于微納光纖的溫度/壓力同時測量觸覺傳感器

01???導(dǎo)讀

多參量柔性觸覺傳感器在智能機器人、自然人機交互和健康醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

該論文報道了一種可同時監(jiān)測溫度和壓力的柔性微納光纖觸覺傳感器。

通過理論計算和精確控制微納光纖的直徑，將監(jiān)測溫度的高階模截止波長調(diào)控至短波區(qū)域，實現(xiàn)了溫度和壓力信號的低串?dāng)_感知，并且展示了同時測量人體脈搏和體溫的能力。

該傳感器結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良，在醫(yī)療健康和人工智能領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。



封面圖：基于微納光纖的溫度、壓力同時測量觸覺傳感器

02??研究背景

柔性觸覺傳感器已在智能機器人、自然人機交互和健康醫(yī)療等多個前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。人體皮膚根據(jù)響應(yīng)對象的不同可將觸覺受體分為：響應(yīng)機械刺激的機械敏感受體（感知壓力、振動、輕觸等）、響應(yīng)溫度和熱刺激的溫度敏感受體、以及響應(yīng)疼痛和損傷的觸覺感受器。因此，如何滿足多參量信號準(zhǔn)確獲取，是實現(xiàn)類人觸覺感知的關(guān)鍵問題，也是國內(nèi)外研究的熱點。

由于光可以通過波長、強度、偏振等參數(shù)攜帶信息，且光子之間相互作用小，攜帶不同信息的光可以同時在一根波導(dǎo)中互不干擾地傳輸，使得光學(xué)傳感器在實現(xiàn)多參量觸覺感知方面更具潛力。但是，研究具有柔性好、靈敏度高且穩(wěn)定性強的光學(xué)多參量觸覺傳感器，仍是一個巨大挑戰(zhàn)。 ?

03???創(chuàng)新研究

3.1?微納光纖觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)

微納光纖是近年來發(fā)展起來的直徑接近或小于光波長的一種新型光波導(dǎo)，其直徑可比普通光纖小2-3個數(shù)量級，具有尺寸小、光場約束能力強、倏逝場比例大、彎曲半徑小和損耗低等特點。

本研究提出一種基于微納光纖的溫度和壓力雙參量觸覺傳感器，利用微納光纖的高階模模式截止和微彎輻射隧穿原理，實現(xiàn)了對溫度和壓力信號的同時測量。

圖2為該觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)以及感知原理圖。通過調(diào)控微納光纖直徑，將高階模式的截止波長調(diào)控至短波區(qū)域，利用短波區(qū)域內(nèi)高階模截止波長隨溫度變化而改變和長波區(qū)域內(nèi)光強隨壓力增加而減小的特性，可實現(xiàn)溫度和壓力信號的同時測量。

利用不同的波長范圍監(jiān)測溫度和壓力信號，使得信號間地低串?dāng)_測量成為可能。

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圖2?微納光纖觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)以及感知原理圖

3.2?微納光纖觸覺傳感器的溫度響應(yīng)性能

理論計算確定微納光纖的直徑為2 μm（圖3a）。PDMS材料相較SiO2材料而言具有更大的熱光系數(shù)，由此微納光纖的高階模截止波長隨溫度升高而發(fā)生紅移，如圖3b所示。

得益于PDMS材料高的熱光系數(shù)，微納光纖觸覺傳感器表現(xiàn)出靈敏度高等性能優(yōu)勢（靈敏度1.2 nm/°C），同時，該傳感器對溫度響應(yīng)表現(xiàn)出良好的重復(fù)性（圖3d）。



圖3?微納光纖觸覺傳感器的溫度響應(yīng)特性

3.3?微納光纖觸覺傳感器的壓力響應(yīng)性能

如圖4a，b所示，當(dāng)溫度恒定時，用于感知溫度的高階模截止波長并未隨壓力增加而發(fā)生明顯變化，僅是強度發(fā)生變化。但是，長波范圍的光強信號隨著壓力的增加，光強發(fā)生與波長相關(guān)的顯著變化。

因此，我們采用長波范圍的光強信號用于壓力傳感。在不同的波長下，該傳感器表現(xiàn)出不同的壓力響應(yīng)靈敏度（圖4c）。

此外，該傳感器還具有對靜態(tài)壓力響應(yīng)的良好重復(fù)性（圖4d）和對動態(tài)壓力的快速響應(yīng)（圖4e, f）。



圖4 微納光纖觸覺傳感器的壓力響應(yīng)性能

3.4 醫(yī)療健康監(jiān)測的應(yīng)用

動脈脈搏波形監(jiān)測是一種安全、無創(chuàng)心血管問題分析方法，因為冷熱變化會影響血液血管舒張和血管收縮，所以皮膚溫度變化會影響動脈脈沖波形。

因此，為了實現(xiàn)對脈搏波形的準(zhǔn)確分析，有必要在進(jìn)行脈搏測量的同時監(jiān)測皮膚溫度。我們利用該傳感器實現(xiàn)了皮膚溫度和腕部脈搏的實時監(jiān)測，為準(zhǔn)確獲得脈搏波和相關(guān)血流動力學(xué)信息提供了一種新的方式。



圖5 微納光纖觸覺傳感器應(yīng)用





審核編輯：劉清