康奈尔大学的研究人员日前发明了一种结合低成本发光二极管和染料的光纤传感器，并带来成一种可以检测压力、弯曲和应变等变形的可伸缩“皮肤”。这种传感器可以用于机器人系统和XR等领域，并为其提供人类在自然界生存所依赖的丰富触觉感受。

名为“Stretchable Distributed Fiber-Optic Sensors(可伸缩分布式光纤传感器)”的论文已经发表在《科学》期刊。

SLIMS传感器能够检测诸如压力、弯曲和应变等变形，并精确它们的位置和大小。

这个项目是以工程学院机械与航空航天工程副教授罗博·谢菲尔德(Rob Shepherd)的有机机器人实验室(Organic Robotics Lab)在2016年制造的可伸缩传感器作为基础。其中，光通过光导纤维发送，而光电二极管则检测光束强度的变化，从而确定材料何时变形。在那之后，这个谢菲尔德的实验室开发了多种类似的感官材料，如光学蕾丝和泡沫。

对于本文介绍的新项目，研究人员借鉴了基于二氧化硅的分布式光纤传感器。作为说明，基于二氧化硅的分布式光线传感器可以检测微小的波长偏移，可作为识别多种特性的方法，如湿度、温度和应变的变化。但是，二氧化硅分线不兼容柔性和可拉伸的电子产品。另外，智能柔性系统同样带来了自身的结构性挑战。

研究小组表示：“我们知道柔性物质可以以一种非常复杂的、组合的方式变形，而且同时会出现大量的变形。我们需要一种可以将其分离开来的传感器。”

团队的解决方案是开发一种可伸缩的多模式传感光波导(Stretchable Lightguide for Multimodal Sensing;SLIMS)。这种波导包含一对聚氨酯弹性体芯。一个体芯为透明;另一个则在多个位置填充吸收染料，并连接到一个LED。每一个体芯都与一个红绿蓝传感器芯片相接，以记录光路中的几何变化。

双芯设计增加了输出的数量，而通过所述输出，传感器可以通过点亮充当空间编码器的染料来检测到一系列的变形，如压力、弯曲或伸长。研究人员同时将这项技术与一个可以解耦或分离不同变形并精确其位置和大小的数学模型相结合。

分布式光纤传感器需要高分辨率的检测组件，而SLIMS传感器可以采用分辨率较低的小型光电器件。所以它们成本更低，制造更简单，而且更容易集成到小型系统中。

康奈尔大学有机机器人实验室设计了一种3D打印手套，内嵌能够利用光线实时检测一系列变形的可伸缩光纤传感器。

这项技术可以应用于可穿戴领域。研究人员设计了一种3D打印手套，其中每个手指都包含一个SLIMS传感器。所述手套由锂电池供电，并配有蓝牙，所以它可以将数据传输到一个可以实时重建手套运动和变形的软件中。

谢菲尔德指出：“现在，感知主要是通过视觉完成。在现实生活中，我们几乎从不测量触觉。这种皮肤是一种允许我们自己和机器能够测量触觉交互的方式，就像我们现在使用智能手机的摄像头一样。它用视觉来测量触觉。以可伸缩方式实现这一目标是最方便、最实用的方法。”

研究人员同时在研究SLIMS传感器能够如何提升虚拟现实和增强现实体验。

谢菲尔德说道：“VR和AR沉浸感是基于运动捕捉。触感几乎不存在。假设你需要一个教导你如何修理汽车或更换轮胎的AR模拟，如果你有一只手套或其他可以测量压力和运动的愿随，增强现实可视化技术就可以说‘拧一下然后停下来，这样你就不会把螺母拧得太紧了。’现在还没有什么能做到这一点，但它是一条实现所述目标的途径。”

这项研究得到了美国国家科学基金会、美国空军科学研究办公室、康奈尔技术加速和成熟项目、美国农业部国家食品和农业研究所、以及美国海军研究所的支持。

研究人员同时利用了康奈尔纳米科技设施和康奈尔材料研究中心，而这两个机构都得到了美国国家科学基金会的支持。