柔软而富有弹性的传感器可以更好地贴合人体，从而大大提高佩戴舒适度，在软体机器人和可穿戴设备领域具有很大的应用价值。最近，康奈尔大学的研究人员开发了一种超柔性可拉伸光纤传感器，称为“用于多模态传感的可拉伸光导”（SLIMS），它由廉价的弹性材料、LED灯和染料制成。SLIMS可以做成“柔软的皮肤”戴在手上，单个SLIMS可以同时检测手指不同关节的弯曲和压力。SLIMS传感器可以为软体机器人以及柔性可穿戴设备提供更真实、更灵敏的反馈。研究结果近日发表在《科学》杂志上，值得一提的是，该文章的两位合著者都是中国学者。
新型柔性光纤传感器
随着软体机器人和新材料技术的不断发展，柔性传感器被科学家广泛开发和使用，并开始逐渐进入大众的生活。与传统的“硬”传感器相比，柔性传感器“天生”软轻，特别适用于可穿戴设备，具体来说，在医疗康复、运动引导，以及VR、AR游戏等领域都有很大的应用前景。为了实现“柔软”的特性，现有的新型柔性传感器大多是以硅胶等弹性体为载体制成的，因为硅胶具有良好的弹性和延展性。有三种常见的：基于液态金属、基于柔性导电聚合物和基于光纤原理。
常见的柔性传感器
与液态金属传感器和导电聚合物传感器相比，弹性光纤传感器具有易加工、低滞后、高精度等特点。2016年，康奈尔大学有机机器人实验室的Robert F. Shepherd教授在Science Robotics上提出了一种弹性光纤传感器（第一篇文章现在是清华大学助理教授赵慧灿博士，文章信息附在文章末尾）。弹性体变形是利用传播过程中光路的损耗来检测的，其中内层采用高折射率材料，外层采用低折射率材料，光纤一侧装有LED，另一侧装有光电二极管。通过检测输出光信号强度的变化，可以检测拉伸、弯曲和压缩等变形。
2016年发表于Science Robotics的弹性光纤传感器
除了之前的研究之外，Robert Shepherd教授的研究团队最近在Szczes杂志上发表了一篇题为“Stretchable Distributed Fiber Optic Sensors”（Strecherbur Distributfbe-Optissenssoles）的文章。上一代弹性光纤传感器只能检测单个信号，新一代光纤传感器最大的亮点在于它大大丰富了传感器的检测能力，即“只需要一个，通过对颜色信息的分析解耦，实现对传感器上不同位置的变形检测， 并且可以同时检测传感器的拉伸和压缩，大大提高了弹性纤维传感器的性能“。研究人员设计了一种高弹性的“多模传感光纤，简称SLIMS”。与上一代单芯相比，新纤维由两个聚氨酯弹性芯组成，一个是透明的，另一个在几个不同的位置（红色、绿色、蓝色）染色。每个磁芯的一侧连接到LED，另一侧连接到RGB颜色传感器（检测弹性光路的变形）。当染色区域变形时，输出的白光LED灯将变为与变形区域相对应的颜色。这种双内芯和面染的设计大大增加了输出信号的丰富度，通过建模和分析解耦，传感器可以检测弹性纤维在不同位置、不同模式下的变形。为了更好地展示新传感器的实用性，研究人员将SLIMS传感器集成到3D打印的柔性手套中，如下图所示。每个手指只使用一个定制的SLIMS传感器来感应手指三个关节的运动，以及施加在手指上的外部压力等。具体来说，手指的近端、中端和远端关节分别染有红色、蓝色和绿色颜料。手套组件的其余部分包括一个颜色传感器，以及一个用于信号传输和接收的无线电路模块。整个手套柔软、舒适、轻便。
集成多根SLIMS传感器的智能手套
研究人员在计算机中构建了一个虚拟人手模型来跟踪和显示手部动作，即每次手套使用者进行手部动作时，计算机中的虚拟人手都会实时做出相应的动作。通过对多个信号的分析，柔性手套不仅可以检测手指的弯曲，还可以检测手指弯曲时的外部压力，如下图所示，只有通过弹性纤维传感器，才能实现如此强大的传感功能，相信这也是该研究能发表在《科学》杂志上的原因之一！柔性光纤传感器SLIMS的原理
SLIMS纤维内部是两个由不同聚氨酯材料制成的弹性体芯，一个在不同位置染成不同的颜色，另一个是完全透明的，由两个芯隔开。白色 LED 给出来自染色芯的输入信号，在传感器的另一侧，有两个红色、绿色和蓝色传感器分别检测染色芯和透明芯的信号。SLIMS传感器的初始状态和拉伸状态光路图
SLIMS传感器的弯曲状态和受压状态光路图
当SLIMS光纤不变形时，两个纤芯都是白色的。当染色区域被拉伸时，光路的长度增加，使染色区域吸收更多的光，输出光信号变为相应区域的颜色。当染色区域弯曲时，大部分光线穿过染色区域，导致输出颜色发生变化。当拉伸和弯曲时，输出光的颜色变化类似，透明的内芯保持白色，而染色的芯输出相应区域的颜色。不同变形模式下SLIMS被拉伸，弯曲和受压时色度
对于单个变形区域，信号检测相对容易，但是当多个变形区域并存时，不同区域的颜色会混合。为了能够检测出更复杂的变形，研究人员建立了一个不同颜色（RGB）混合的数学模型，以便可以准确确定多个传感器的变形。不同变形模式下SLIMS被拉伸，弯曲和受压时色度
基于研究人员建立的数学模型，在使用智能传感器手套时，可以通过对测量的颜色进行分析和解耦来获得手指每个关节的变形。
手指弯曲后不同位置受压时信号变化情况
对于手指同时弯曲和压缩的变形，当手指仅弯曲时，输出光强度会略有衰减。此时，当对每个关节施加压力时，光强度信号会突然增加，当信号超过一定强度时，可以确定哪个位置被压缩。未来展望
由于SLIMS光纤传感器的弹性，它们可用于制造智能服装、可穿戴设备和软体机器人。研究团队希望将SLIMS传感器应用于运动和医疗领域，具体来说，他们计划在明年使用这些可拉伸的光纤来测量呼吸和肌肉收缩，或者检测运动员在运动过程中的姿势是否标准等。目前，SLIMS传感器只能检测三个区域的变形，这主要得益于RGB三色传感器。如果使用更高分辨率的彩色传感器，则可以解决更多的染色区域，可以更灵敏地检测SLIMS传感器的失真，并且可以进一步减小SLIMS传感器的尺寸。
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