可穿戴触觉FBG传感器的最新进展
2026-10-24 10:44:03   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近期，新加坡国立大学和北京理工大学的研究人员在MDPI期刊上发表了题为“Recent Advances in Wearable Tactile Fiber Bragg Grating Sensors”的综述文章。该文章指出，随着可穿戴触觉技术的发展，复杂多点、多模态传感已成为必然趋势。在各类传感方案中，纤维凭借独特的形貌特征，成为极具潜力的候选方案，天然适配可穿戴集成与高分辨率触觉传感场景。但现有基于电子纤维的传感器仍存在显著短板：实现复杂传感往往需要大量电极接口，布线繁杂；纤维直径纤细，电极难以稳定贴合，可靠性较差；此外，传统电子传感器易受电磁干扰、高温及其它环境因素影响。

光纤以光为传输介质，具备高频、高速、抗电磁干扰、制备工艺成熟等固有优势，是仅依靠1~2个端面接口即可实现多功能的典型载体。除通信领域外，光纤还可用作传感介质：通过监测光信号参数（光强、光谱、偏振态、传输方向）的变化，反演光纤沿线受到的外部扰动。分布式光纤传感（DFOS）技术能够依托单根光纤获取多个测点的位置信息，面向复杂可穿戴传感场景优势突出：接口数量少、测量精度高、响应速度快、易于拓展。

在分布式光纤传感技术中，光纤布拉格光栅（FBG）传感器是可穿戴触觉传感极具潜力的技术路线。如图1所示，FBG是在单模光纤纤芯的小段区域内写入周期性折射率调制，形成的窄带反射滤波器。宽带光在光纤内传输时，每一处光栅仅反射特定中心波长的光，其余波长则透射通过。外部应变、压力或温度变化会改变光栅周期与有效折射率，使反射波长产生可检测的偏移。解调仪采集并分析回波光谱中的波长偏移量，可同步解算出接触位置、作用力大小、信号频率乃至触觉模态（触碰、滑移、按压）。在单根光纤上刻写多个中心波长互不相同的FBG，即可实现分布式多点传感。

值得关注的是，这种单纤多点架构与生物神经编码触觉信息的机理高度相似。从仿生神经视角来看，该架构复刻了人体体感系统的层级结构：主干神经（如尺神经、正中神经）通过分支轴突连接手部大量分布的机械感受器，使中枢神经系统能够依靠有限的神经束，解析出接触位置、压力、振动、纹理等丰富的触觉信息。

图1 基于FBG的分布式光纤传感系统在单根光纤上刻写多支中心波长不同的光栅（λ₁、λ₂、λ₃）；各光栅对不同刺激模态产生响应，传感时仅需将光纤一端接入解调仪。系统通过分析回波光谱的波长偏移（Δλ），同步解耦位置、压力、振动、纹理等多模态信息，大幅简化布线。该设计思路与生物中枢神经系统类似：中枢神经系统依靠有限数量的神经束，解码位置、压力、振动及其它触觉模态的丰富信息。这类FBG传感系统在可穿戴电子皮肤（大面积分布式触觉传感）、精准医疗（狭小空间内精细感知）、传感驱动一体化（闭环控制）、传感器内光计算（光速超高速信号处理）领域具备巨大应用潜力。

因此，诸多研究从仿生思路出发，复现类人触觉感知能力。Massari等人受Ruffini SA2小体大尺寸、单热点感受野特征启发，研发了一款用于机器人本体大面积感知的柔性电子皮肤。该研究将一根刻有16支特征波长互不相同FBG的光纤以S形布局埋入电子皮肤内部；结合深度神经网络，系统可精准识别电子皮肤表面外部触觉刺激的力值与接触位置，力值估计误差35 mN，接触点定位误差3.2 mm。

Oddo教授团队进一步将一根刻有21支FBG的光纤植入人工皮肤，以此模拟人体皮肤II型机械感受器的结构。该团队采用双层脉冲神经网络（SNN）模拟II型初级传入纤维（PA）与楔束核神经元（CN）的信号工作机制，最终实现了与人体皮肤神经生理学观测结果相当的传感性能。近期，该团队将集成FBG的电子皮肤与一款在硬件层面实现脉冲神经网络的混合信号神经形态处理器相结合，在保障高精度触觉定位能力的同时，实现高并行、低功耗运算。

除电子皮肤的大面积分布式传感外，基于FBG的光纤传感同样适用于小区域的精细多模态感知。Mao等人借鉴人类指尖结构，将FBG应用于机器人指尖平台；采用刚柔耦合架构，在指尖尺度器件内集成多支分布式FBG，实现压力、滑移、温度、水压、材质识别五种传感模态。该系统抗电磁干扰、耐腐蚀、可水下工作，能够在多种复杂环境下稳定运行。

此外，Gao等人将4根光纤（每根刻有3支FBG）集成于手术气动钳，实现高分辨率六轴力传感，并将该系统应用于操作空间极其狭小的人工耳蜗植入手术。Li等人研发了集成FBG力传感器的100 μm微针系统，用于实时检测器械与生物组织的相互作用力；该系统具备精细的作用力感知能力（分辨率0.99 mN），可有效区分不同手术阶段。上述成果证明光纤传感在精密感知与医疗场景中潜力巨大。

尽管基于FBG的可穿戴系统已有诸多进展，但目前仍面临多项挑战。第一，单根光纤可刻写的光栅数量受光源带宽限制（单根光纤通常≤50支光栅），难以实现高密度阵列传感；现阶段主要依靠深度学习算法实现超分辨感知。第二，FBG光纤布设多依赖人工操作，难以在高曲率曲面或复杂异形表面上稳定贴合集成。针对该问题，Tao等人提出一种FBG可编程直接图案化组装工艺，通过光纤交叉走线与图案化技术，在单根连续光纤上构建高密度传感网络。该方案已成功用于喉部振动检测、表皮手势识别系统，可同时监测高频微振动与大动态运动应变。

第三，现有解调设备大多为体积庞大的台式仪器，器件小型化是另一大难点。为此，Yao等人基于正余弦编码原理研制光子集成电路（PIC）芯片，能够对光频变化开展高速、高分辨率实时测量。这款光频检测芯片尺寸为5.5mm × 2.7mm，最高测量速率可达2500THz/s，分辨率2MHz；在应变、振动测量场景下，灵敏度与响应速度均优于现有FBG解调仪。

展望未来，FBG光纤传感仍有广阔的研究方向。例如，将FBG传感器与驱动技术融合，在同一光纤载体上实现传感与力反馈，有望在人体内等受限空间完成更精细的感知与操控。已有研究将柔性温敏水凝胶致动肌肉直接集成于光纤表面，器件尺寸低至38μm × 38μm × 61μm，可对单细胞以及尺寸小于10μm的非规则目标实现精准操控。另一方面，为充分发挥光信号高速优势，将光纤传感与光计算结合、实现传感器内计算，是另一个极具前景的方向。

近期一项研究在全光纤架构上实现了传感器内计算，无需电子处理器即可完成光速信号处理；该系统可对扭转角、拉伸量、振动信号定量检测，信号延迟低于3ns。这些新兴技术能力预示，FBG光纤传感将在下一代智能传感系统中发挥愈发重要的作用，尤其面向对高速、小型化、多功能有要求的场景。

延伸阅读：

《人形机器人传感器技术及市场-2026版》

《面向可穿戴设备的传感器和执行器-2025版》

《可穿戴传感器技术及市场-2025版》