基于微納光纖的溫度/壓力同時(shí)測(cè)量觸覺(jué)傳感器

01???導(dǎo)讀

多參量柔性觸覺(jué)傳感器在智能機(jī)器人、自然人機(jī)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(bào)道了一種可同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和壓力的柔性微納光纖觸覺(jué)傳感器。

通過(guò)理論計(jì)算和精確控制微納光纖的直徑，將監(jiān)測(cè)溫度的高階模截止波長(zhǎng)調(diào)控至短波區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了溫度和壓力信號(hào)的低串?dāng)_感知，并且展示了同時(shí)測(cè)量人體脈搏和體溫的能力。

該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)測(cè)量觸覺(jué)傳感器

02??研究背景

柔性觸覺(jué)傳感器已在智能機(jī)器人、自然人機(jī)交互和健康醫(yī)療等多個(gè)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(duì)象的不同可將觸覺(jué)受體分為：響應(yīng)機(jī)械刺激的機(jī)械敏感受體（感知壓力、振動(dòng)、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(jué)感受器。因此，如何滿足多參量信號(hào)準(zhǔn)確獲取，是實(shí)現(xiàn)類人觸覺(jué)感知的關(guān)鍵問(wèn)題，也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

由于光可以通過(guò)波長(zhǎng)、強(qiáng)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(shí)在一根波導(dǎo)中互不干擾地傳輸，使得光學(xué)傳感器在實(shí)現(xiàn)多參量觸覺(jué)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(qiáng)的光學(xué)多參量觸覺(jué)傳感器，仍是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。 ?

03???創(chuàng)新研究

3.1?微納光纖觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)

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

本研究提出一種基于微納光纖的溫度和壓力雙參量觸覺(jué)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(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度和壓力信號(hào)的同時(shí)測(cè)量。

圖2為該觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)以及感知原理圖。通過(guò)調(diào)控微納光纖直徑，將高階模式的截止波長(zhǎng)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(zhǎng)隨溫度變化而改變和長(zhǎng)波區(qū)域內(nèi)光強(qiáng)隨壓力增加而減小的特性，可實(shí)現(xiàn)溫度和壓力信號(hào)的同時(shí)測(cè)量。

利用不同的波長(zhǎng)范圍監(jiān)測(cè)溫度和壓力信號(hào)，使得信號(hào)間地低串?dāng)_測(cè)量成為可能。

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圖2?微納光纖觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)以及感知原理圖

3.2?微納光纖觸覺(jué)傳感器的溫度響應(yīng)性能

理論計(jì)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(zhǎng)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(jué)傳感器表現(xiàn)出靈敏度高等性能優(yōu)勢(shì)（靈敏度1.2 nm/°C），同時(shí)，該傳感器對(duì)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(jué)傳感器的溫度響應(yīng)特性

3.3?微納光纖觸覺(jué)傳感器的壓力響應(yīng)性能

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

因此，我們采用長(zhǎng)波范圍的光強(qiáng)信號(hào)用于壓力傳感。在不同的波長(zhǎng)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(duì)靜態(tài)壓力響應(yīng)的良好重復(fù)性（圖4d）和對(duì)動(dòng)態(tài)壓力的快速響應(yīng)（圖4e, f）。



圖4 微納光纖觸覺(jué)傳感器的壓力響應(yīng)性能

3.4 醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

動(dòng)脈脈搏波形監(jiān)測(cè)是一種安全、無(wú)創(chuàng)心血管問(wèn)題分析方法，因?yàn)槔錈嶙兓瘯?huì)影響血液血管舒張和血管收縮，所以皮膚溫度變化會(huì)影響動(dòng)脈脈沖波形。

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



圖5 微納光纖觸覺(jué)傳感器應(yīng)用





審核編輯：劉清