基于光學(xué)的多點(diǎn)三軸觸覺壓力傳感

通過高分辨率和高靈敏度的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的多點(diǎn)三軸觸覺壓力傳感提供了關(guān)于表面壓力分布的豐富信息，并在各種人機(jī)交互和機(jī)器人應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。然而，光學(xué)系統(tǒng)通常具有龐大的外形尺寸，這給傳感器安裝和系統(tǒng)集成帶來了困難。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，日本東京大學(xué)（The University of Tokyo）的研究人員展示了一種通過光學(xué)方法構(gòu)建的柔性薄膜多點(diǎn)三軸壓力傳感器。該傳感器可以檢測3 cm × 4 cm面積上的三軸壓力分布，高精度法向和切向壓力傳感分別高達(dá)360 kPa和100 kPa。采用多孔橡膠作為三軸壓敏光調(diào)制器，以在不犧牲靈敏度的情況下省去了厚重且剛性的調(diào)焦系統(tǒng)。此外，通過集成薄且柔的背光層和成像器，該傳感器的總厚度為1.5 mm，即使彎曲到18 mm的半徑也能正常工作。相關(guān)研究成果以“An optical-based multipoint 3-axis pressure sensor with a flexible thin-film form”為題發(fā)表在Science Advances期刊上。

該傳感器的主要結(jié)構(gòu)為頂部柔性背光層，中間是半透明多孔橡膠制成的壓敏層，底部是薄膜柔性成像器。當(dāng)施加壓力時，多孔橡膠的變形將導(dǎo)致橡膠間隙和發(fā)光位置的改變。通過分析成像器上形成光斑的變化，可以重建多點(diǎn)三軸壓力。通過將整個區(qū)域劃分為6 × 8個傳感單元，每個傳感單元可以檢測單點(diǎn)三軸壓力，從而在整個區(qū)域上識別多點(diǎn)三軸壓力分布。

基于光學(xué)的多點(diǎn)三軸壓力傳感器的結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)整體器件的薄度和柔性，制造了薄的背光層以將光引入傳感器。研究人員通過涂覆和剝離方法將TiO2顆粒和PDMS的復(fù)合物制成了一種薄且可拉伸的擴(kuò)散片。背光層為每個傳感單元提供點(diǎn)光源陣列，以實(shí)現(xiàn)大面積多點(diǎn)三軸壓力傳感。

多孔橡膠是通過將糖顆粒（granulated sugar）混合到聚二甲基硅氧烷（PDMS）中并在固化后溶解糖而制成的。當(dāng)在壓力下壓縮時，由于內(nèi)部孔隙的部分閉合，可以發(fā)現(xiàn)橡膠間隙增加，光散射較弱。因此，多孔橡膠成為一種三軸壓敏光傳輸調(diào)制器，利用這種半透明的多孔橡膠介質(zhì)，所設(shè)計的薄膜傳感器可以捕捉到隨施加壓力而發(fā)生的顯著光分布變化。由于使用了塑料薄膜和橡膠材料來構(gòu)建每個組件，整個傳感器的總厚度為1.5 mm，可以彎曲并安裝在扶手等曲面上。

背光層和多孔橡膠的制備及性能

所開發(fā)傳感器的法向和切向壓力傳感分別高達(dá)360 kPa和100 kPa。傳感單元的性能在法向壓力和切向壓力下都表現(xiàn)出良好的響應(yīng)一致性，并且在重復(fù)測試中沒有觀察到退化，表明該傳感器具有良好的再現(xiàn)性和穩(wěn)定性。這得益于簡單可靠的傳感結(jié)構(gòu)設(shè)計：法向和切向壓力的響應(yīng)僅來自光斑的形狀變化，與光強(qiáng)無關(guān)，而光斑的形狀變化是具有高彈性變形能力和機(jī)械耐久性的多孔PDMS橡膠的直接響應(yīng)。

傳感器特性

總而言之，研究人員開發(fā)了一種大面積柔性壓力傳感器，可以在3 cm × 4 cm的區(qū)域內(nèi)通過6 × 8個檢測點(diǎn)檢測三軸壓力分布。該傳感器由塑料材料制成，具有薄膜形式，可以很容易地附著在各種曲面上。精確的法向和切向壓力檢測分別超過360 kPa和100 kPa，確保傳感器具有寬的動態(tài)范圍，從而可以適應(yīng)不同的觸覺交互場景。這種薄而柔的結(jié)構(gòu)和壓力檢測能力使其能夠提供前所未有的三軸壓力分布信息，有助于在不同領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)的壓力跟蹤、抓握控制和滑移檢測。

編輯：黃飛

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