撰稿 | 北京航空航天大學(xué) ?博士生?尚策?（論文第一作者） ?01???導(dǎo)讀 人類皮膚是一個(gè)由多種感覺受體構(gòu)成的復(fù)雜感覺網(wǎng)絡(luò)，可以準(zhǔn)確地感知和區(qū)分各種熱刺激和機(jī)械刺激。仿生觸覺傳感器能夠模擬人類皮膚的感覺功能，對(duì)于皮膚修復(fù)、輔助機(jī)器人和健康監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要意義。

近日，北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院郭晶晶、付博副教授課題組在ACS Applied Materials & Interface期刊上發(fā)表了題為“Soft Biomimetic Fiber-Optic Tactile Sensors Capable of Discriminating Temperature and Pressure”的研究性論文，北京航空航天大學(xué)付博副教授和博士生尚策為論文的共同第一作者，郭晶晶副教授為論文的通訊作者。

該論文提出了一種模擬皮膚觸覺的柔性仿生光纖觸覺傳感器，能夠同時(shí)檢測和區(qū)分溫度和壓力。傳感器采用彎曲光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）為敏感元件，結(jié)合液滴狀的彈性體材料對(duì)FBG進(jìn)行包裹封裝。利用FBG和彎曲光纖激發(fā)的回音壁模式（Whispering Gallery Modes，WGMs）對(duì)溫度和壓力的不同敏感性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力和溫度的完全解耦。為進(jìn)一步簡化信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，還設(shè)計(jì)了一種單腔雙光梳光纖激光器作為傳感光源，通過單個(gè)光電探測器實(shí)現(xiàn)快速的光譜采樣。該傳感器不僅具有高靈敏度、高穩(wěn)定性和低成本等優(yōu)點(diǎn)，還能通過觸摸實(shí)時(shí)感知接觸壓力、溫度和硬度，這對(duì)于軟組織觸診和仿生機(jī)器人感知有著重要的應(yīng)用價(jià)值。?

圖1 光纖觸覺傳感器工作示意圖。

圖源: ACS Applied Materials & Interface（2023）

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c12712（Toc）

?02??研究背景

觸覺感知是人類與外界環(huán)境進(jìn)行協(xié)調(diào)交互的重要功能，它可以幫助人類感知和識(shí)別物體的不同物理屬性。柔性觸覺傳感器可以模擬人體皮膚的感覺功能，在智能機(jī)器人、醫(yī)療監(jiān)測、人機(jī)交互等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。在過去的十年中，研究人員開發(fā)了一系列能夠感知溫度、壓力、振動(dòng)等熱刺激和機(jī)械刺激的電子觸覺傳感器。然而，大多數(shù)柔性觸覺傳感器是基于功能性的導(dǎo)電材料，將外部刺激轉(zhuǎn)換為電阻、電容或電流等電信號(hào)，存在感知信息單一、信號(hào)串?dāng)_等問題，難以識(shí)別多種刺激信號(hào)。有些研究者試圖將多個(gè)傳感單元集成到一個(gè)混合感覺系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同觸覺刺激的有效檢測和區(qū)分。但是，這些方法需要異質(zhì)集成不同的傳感材料，以及復(fù)雜的布線來連接各個(gè)組件，增加了工藝復(fù)雜性和制造成本。因此，如何在單個(gè)傳感器設(shè)計(jì)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱刺激和機(jī)械刺激的檢測和識(shí)別仍面臨挑戰(zhàn)。

光纖傳感器是實(shí)現(xiàn)多參量觸覺感知極具潛力的技術(shù)之一，將外部刺激轉(zhuǎn)換為傳輸光信號(hào)的物理特性變化，具有高靈敏度、小尺寸、不受電磁干擾和固有電隔離等優(yōu)勢。利用光纖光柵、干涉儀、微納光纖等結(jié)構(gòu)，研究人員已經(jīng)開發(fā)出了各種類型的光纖觸覺傳感器。然而，由于光纖的熱光效應(yīng)和彈光效應(yīng)，這些傳感器往往存在溫度和壓力的交叉敏感問題。此外，高硬度、剛性的光纖材料也限制了傳感器與軟生物系統(tǒng)的機(jī)械匹配性，影響了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

?03???創(chuàng)新研究 3.1 基本理論和方法

該工作提出了一種柔性仿生光纖觸覺傳感器，能夠同時(shí)感知并區(qū)分溫度和壓力刺激（圖2）。傳感器采用彎曲FBG為敏感元件，利用FBG和彎曲光纖激發(fā)的WGMs對(duì)溫度和壓力的敏感性差異，成功實(shí)現(xiàn)了溫度和壓力的完全解耦。為賦予傳感器機(jī)械柔韌性和可變形性，采用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）對(duì)彎曲FBG進(jìn)行封裝包裹。同時(shí)，PDMS的高熱光學(xué)系數(shù)和低彈性模量，可顯著增強(qiáng)傳感器對(duì)溫度和壓力的敏感性。該傳感器在透射譜中表現(xiàn)出兩種諧振模式，分別對(duì)應(yīng)于傳感FBG和沿彎曲光纖激發(fā)的WGMs。為實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的光譜解調(diào)，該工作設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種基于碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）鎖模的偏振復(fù)用型單腔雙光梳激光器。由于單腔雙光梳激光器輸出兩列鎖模脈沖經(jīng)歷相同的環(huán)境，可以有效的抑制共模噪聲對(duì)傳感信號(hào)的影響，因此不需要復(fù)雜的頻率鎖定系統(tǒng)來保證兩個(gè)頻率梳之間的相干性，降低成本的同時(shí)，極大的簡化了雙光梳系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。利用該偏振復(fù)用型單腔雙光梳激光器作為光源，將光信號(hào)從光頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到射頻信號(hào)，以緊湊的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器光譜的快速、高分辨測量。

圖2 光纖觸覺傳感器及其傳感解調(diào)原理。

圖源: ACS Applied Materials & Interface（2023） https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c12712（Fig. 1）

采用有限元建模（FEM）方法以及光束傳播法（Beam PROP）對(duì)光纖觸覺傳感原理進(jìn)行了理論數(shù)值分析，研究了傳感器在不同的壓力和溫度作用下的響應(yīng)機(jī)理。具體的，當(dāng)傳感器受到外力作用時(shí)會(huì)引起彈性體形變，使得FBG的彎曲半徑和軸向應(yīng)變發(fā)生變化，從而導(dǎo)致FBG和WGMs的特征波長漂移。此外，由于材料的熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)，F(xiàn)BG和WGMs的諧振峰均呈現(xiàn)出溫度依賴性。有趣的是，相比于FBG，隨著溫度的升高，WGMs諧振峰朝著相反的方向移動(dòng)。這種現(xiàn)象是由于WGMs沿著光纖PI涂層-PDMS界面?zhèn)鞑?，而PI涂層和PDMS都具有較大的負(fù)熱光系數(shù)。數(shù)值分析結(jié)果表明，傳感器對(duì)壓力和溫度具有線性的響應(yīng)特性，且FBG和WGMs表現(xiàn)出不同的壓力、溫度靈敏系數(shù)。進(jìn)一步，基于雙光梳光譜檢測系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測試了傳感器在不同溫度和壓力下的響應(yīng)特性。根據(jù)波長漂移量與溫度、壓力之間的關(guān)系，構(gòu)建了傳感器的溫度壓力靈敏度矩陣。傳感器對(duì)溫度和壓力均具有良好的線性度和重復(fù)性，與數(shù)值仿真結(jié)果基本吻合（圖3）。

圖3 基于雙光梳光譜解調(diào)的壓力、溫度傳感特性。

圖源: ACS Applied Materials & Interface（2023） https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c12712（Fig. 2）

利用靈敏度函數(shù)矩陣對(duì)傳感器的溫度、壓力響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行解耦驗(yàn)證，如圖4所示。根據(jù)FBG和WGMs的波長漂移量解耦得到溫度和壓力的估計(jì)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，估計(jì)值和參考值之間具有高度的一致性，均方根誤差（RMSE）為0.8 mN和0.2℃，使得傳感能夠以較低的相對(duì)誤差（<5%）識(shí)別壓力和溫度刺激，驗(yàn)證了解耦方法的可行性。此外，該論文還對(duì)傳感器進(jìn)行了壓力和溫度的穩(wěn)定性和抗疲勞測試。結(jié)果顯示，在連續(xù)多次測試下，傳感器沒有出現(xiàn)明顯的性能下降，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

圖4 壓力和溫度雙參量解耦的可行性驗(yàn)證。

圖源: ACS Applied Materials & Interface（2023） https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c12712（Fig. 3）

?03???創(chuàng)新研究 該論文提出了一種新型柔性光纖觸覺傳感器，能夠同時(shí)感知和區(qū)分溫度和壓力刺激。傳感器由PDMS封裝的彎曲FBG構(gòu)成，結(jié)合單腔雙光梳光纖激光器，以緊湊的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器光譜的快速、高分辨測量。該傳感器對(duì)溫度和壓力均具有良好的線性度和重復(fù)性，靈敏度系數(shù)分別為?0.324 nm/℃和?14.737 nm/N。此外，該傳感器能夠以0.2 ℃和0.8 mN的精度區(qū)分溫度和壓力刺激，實(shí)現(xiàn)精確的觸覺感知應(yīng)用。進(jìn)一步，論文還展示了傳感器在軟組織觸診中，實(shí)時(shí)感知壓力、溫度和硬度的能力，如圖5所示。該傳感方案結(jié)構(gòu)簡單、成本低，為實(shí)現(xiàn)多參量觸覺感知提供了一種新型的光學(xué)策略，在仿生機(jī)器人、智能假肢和人機(jī)交互等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

圖5 傳感器的應(yīng)用展示。

圖源: ACS Applied Materials & Interface（2023） https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c12712（Fig. 4）

?05???作者簡介 ? ? 尚策（論文共同第一作者）博士研究生

尚策，2015年和2018年于河北師范大學(xué)物理學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，現(xiàn)于北京航空航天大學(xué)攻讀博士學(xué)位，研究方向?yàn)樾滦腿嵝?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/光學(xué)傳感器/" target="_blank">光學(xué)傳感器及其應(yīng)用。迄今為止，在Applied Physics Reviews, ACS Applied Materials & Interfaces, Advanced Materials Technologies等期刊發(fā)表SCI論文13篇，其中第一作者論文6篇。申請(qǐng)發(fā)明專利11項(xiàng)，已授權(quán)10項(xiàng)。 ? 付博（論文共同第一作者）副教授

付博，北京航空航天大學(xué)副教授，北京航空航天大學(xué)“醫(yī)工百人”，北航青年拔尖人才，博士生導(dǎo)師。2015年于清華大學(xué)精密儀器系獲博士學(xué)位，博士畢業(yè)后，于英國劍橋大學(xué)從事博士后研究，2018年入職北京航空航天大學(xué)。所獲榮譽(yù)包括中國儀器儀表學(xué)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，清華大學(xué)“優(yōu)秀博士學(xué)位論文”、“學(xué)術(shù)新秀”，“NSK機(jī)械工學(xué)優(yōu)秀論文”，北京市優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師等。現(xiàn)任全國光電測量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員，中國激光雜志社編委會(huì)委員，國家自然科學(xué)基金委、國家公派訪問學(xué)者/留學(xué)基金委、教育部學(xué)位中心評(píng)審專家，清華校友導(dǎo)師，IEEE Senior Member，“Nanomaterials”客座主編，多次國際會(huì)議特邀報(bào)告，并擔(dān)任分會(huì)主席。發(fā)表Advanced Functional Materials（卷首封面）、Small（封底，ESI高被引論文）、Advanced Optical Materials（內(nèi)封面）、Laser & Photonics Review（封底）、Applied Physics Reviews等論文80余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利20余項(xiàng)。 ? 郭晶晶（論文通訊作者）副教授

郭晶晶，北京航空航天大學(xué)副教授，博士畢業(yè)于清華大學(xué)精儀系，2015-2016年獲國家留學(xué)基金委資助赴哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)。主要從事柔性光子材料與器件基礎(chǔ)科學(xué)及應(yīng)用領(lǐng)域研究，曾獲全國光學(xué)工程學(xué)科優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng)、金國藩青年學(xué)子獎(jiǎng)、王大珩光學(xué)獎(jiǎng)、清華大學(xué)優(yōu)秀博士后，入選人社部第三批“博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃”、“北航青年拔尖人才支持計(jì)劃”，主持國家自然科學(xué)基金面上、青年項(xiàng)目及企業(yè)委托等課題。迄今為止，以（共）第一/通訊作者在Advanced Materials、Science Advances、Advanced Functional Materials、Optica等重要期刊發(fā)表論文近30篇，研究成果曾被MIT News，Optics & Photonics News, Laser Focus World等權(quán)威學(xué)術(shù)媒體15次突出報(bào)道。擔(dān)任《光學(xué)學(xué)報(bào)》、View青年編委、Applied Science 客座編輯、IEEE senior Member、中國人工智能學(xué)會(huì)青工委委員。

審核編輯：黃飛

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