新型光压力检测器可改善机器人皮肤、可穿戴设备和触摸屏技术

一种新型的基于光的新型压力传感可有助于实现制造灵敏的人造皮肤，从而为机器人、可佩戴的人体血压监视器和光学透明触摸屏和设备提供更好的传感灵敏性。

在光学学会（OSA）的《光学快报Optics Letters》杂志上，研究人员报告了一种传感器，它通过分析嵌入在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中的微小通道的光量变化来检测压力，这是一种常见类型的有机硅。柔性、透明装置对平压也敏感，与以前的压力传感器相比，不易发生故障。研究人员说，将嵌入的光学传感器整合到大的表面区域也是可行的。

“硅胶片可以放置在显示屏上，使触摸屏，或可以被包装在机器人表面作为一个人工皮肤层的触觉交互作用，”Suntk Park，他目前在韩国的电子和电信研究所。“考虑到聚二甲基硅氧烷是一种非常著名的生物相容性无毒材料，传感器片甚至可以应用于人体内部或内部，例如，用于监测血压。”

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上图所示，压力传感器由一系列并排运行的波导组成。当波导之间的间隙变窄时，来自第一通道的光可以耦合进第二通道。较高的压力使间隙变窄，允许更多的光从通道1移出并进入通道2。

测量弯曲表面上的压力分布在空气动力学和流体动力学等研究领域中是很重要的。Park表示，这些传感器可以用于研究飞机、汽车和船只表面上的压力相关效应。

消除干扰

大多数现有的压力传感器都是基于电子技术的。压阻传感器，例如，通常被用作加速度计、流量计和空气压力传感器，当受到机械应变时，改变它们的电阻。电子系统的问题是，它们会受到来自电源、附近仪器和带电物体的电磁干扰。它们还含有金属成分，它们可以阻挡光并受到腐蚀。

“而我们的方法几乎没有这些问题，因为传感装置被嵌入硅橡胶板的中间，”Park说。“与电学方法相比，我们的光学方法特别适用于利用大面积可行性、抗电磁干扰和高视觉透明度的应用。”

光学压力传感

该装置通过测量光的传导，通过精确排列的一对称为光子隧道结阵列的微型管来工作。“压敏光子隧道结阵列由光导通道组成，其中外部压力改变通过它们的光的亮度，”Park说。这与阀门或水龙头在分流节点上的工作方式类似。”

光学通道或波导，彼此平行运行，并嵌入在聚二甲基硅氧烷。它们的一部分长度足够接近，通过第一通道1的光可以进入第二通道2。当施加压力时，聚二甲基硅氧烷被压缩，改变通道之间的间距，并允许更多的光进入通道2。压力也会导致聚二甲基硅氧烷折射率的改变，改变光。

光通过一端的光纤进入装置并被另一个光电二极管收集。随着压力的增加，通道2中的光增加，通道1中的光减弱。测量从每个通道远端发出的光的亮度可以实现压力值大小的传感测量。

虽然已经开发了其他光学压力传感器，但这是第一种将传感结构嵌入聚二甲基硅氧烷内的传感器。被嵌入实现保护，免受污染。

把它付诸试验

为了测试这个装置，研究人员在传感器的顶部放置了一个“压榨短截线”，并逐渐增加了压力。在一个5毫米长的嵌入50微米厚的聚二甲基硅氧烷片材的传感器中，研究人员测量了大约40千帕（KPA）压力下的140%的光功率变化。这个概念证明表明，该装置能够感知压力低至1千帕，大致相同的灵敏度水平作为人类手指。心跳之间的血压变化约为5千帕。

Park说，需要几个步骤来将传感器从实验室演示转移到实际设备。一种是开发一种更简单的方法来连接将光移入传感器的光纤。在开发他们的原型时，研究团队使用精密对准工具，这将在大多数商业应用中花费太大和耗时。另一种被称为“尾纤”的方法，电信公司用来将光纤耦合到系统中，这一过程应该更容易。

此外，研究团队用一维传感器测试了它们的方法，而大多数应用程序需要二维传感器阵列。这可能是通过旋转一个90度的一维薄片并将其放置在另一个上面，从而形成一个交叉阴影的数组。传感器的大小和它们之间的间距也可能需要针对不同的应用进行优化。

来源：https://phys.org/news/2018-08-optical-pressure-detector-robot-skin.html（实验帮译）

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