柔性光学式触觉传感器，同时测量压力强度和作用位置
2025-09-20 17:06:26 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
日本研究人员研发出一款柔性光学式触觉传感器，可以同时检测压力强度和作用位置，并且具有高灵敏度和稳定性。这项触觉传感技术的突破，为下一代机器人触摸交互界面、先进医疗诊断设备及高响应性可穿戴电子设备的研发奠定了基础。
日本研究人员研发出一款柔性光学式触觉传感器，可以同时检测压力强度和作用位置，并且具有高灵敏度和稳定性。这项触觉传感技术的突破，为下一代机器人触摸交互界面、先进医疗诊断设备及高响应性可穿戴电子设备的研发奠定了基础。
据麦姆斯咨询报道，近期，日本庆应义塾大学（Keio University）的研究团队负责人Takaaki Ishigure表示：“传统的光学式触觉传感器通常仅有单一的输入输出路径，而我们的光学式触觉传感器设计通过在硅橡胶中嵌入聚合物光波导，实现了多路光学通道。这种设计具备可扩展性，能够适配多种应用场景，从而实现对多个点位的压力检测。”
上述研究成果以“PDMS-Based Tactile Sensing: Distributed Sensor with a Multiple-Core Polymer Waveguide”为题发表在Optics Express期刊上，在该论文中，研究人员详细阐述了一款四通道光学式触觉传感器的制造过程，该光学式触觉传感器尺寸为5厘米 x 1.5厘米，厚度仅500微米。他们表示，该光学式触觉传感器可精准检测压力位置，空间分辨率约为1.5毫米。
该超薄光学式触觉传感器以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基底，柔韧性优异。
该论文的第一作者Yuantian Yin说：“展望未来，该触觉传感器有望重新定义人机交互方式。例如，它可为机器人系统赋予更高精度的触觉功能，确保更安全、更直观的人机协作。在医疗保健领域，该触觉传感器可以集成至仿生假肢中，实现触觉反馈系统，从而实现更自然的抓取和操作动作。”
创建多路光学通道
尽管其他研究团队已经成功研发出超薄柔性光学式触觉传感器，但这类设计通常仅含单一光路。这意味着，若要实现多点位压力传感所需的多通道结构，就必须采用复杂的刚性布线布局。
为研发具备多路光学通道的光学式触觉传感器，研究人员采用了其此前研发的聚合物光波导制备方法——Mosquito制备法，该方法通过注射器，将液态树脂单体注入另一种已在基底上铺展成薄片的树脂单体中。随后对混合液体进行紫外线（UV）固化以实现材料定型。这种方式能够制备出3D纤芯布线与圆形纤芯（类似传统光纤中的纤芯结构），而这类结构难以通过传统的主流制备工艺实现。
基于“Mosquito制备法”创建的光学通道
Takaaki Ishigure表示：“通过Mosquito制备法，我们可在PDMS柔性硅橡胶薄片内一步成型聚合物纤芯，大幅提升了光波导结构设计的灵活性。该方法能通过调整约束度、纤芯尺寸等参数，控制光的传导方式，进而调控光学式触觉传感器灵敏度——而这对于性能固定的商用光纤而言是无法实现的。”
研究人员通过指尖施加压力对光学式触觉传感器进行测试
基于波导的触觉传感技术
研究人员采用Mosquito制备法，在PDMS薄片内部创建多路光学通道，进而制成光学式触觉传感器。无压力施加时，光线会沿所有光路传输至PDMS薄片的输出端；而当PDMS薄片表面某一点受到按压时，该点周边区域会发生压缩，导致其下方的光路弯曲。
若光路弯曲程度足够大，部分光线会从光路中泄漏，导致光强降低。通过监测“哪些光路变暗”及“变暗程度”，即可确定压力的施加位置与强度，从而实现分布式触觉传感功能。
为测试光学式触觉传感器性能，研究人员在监测光输出信号的同时，通过指尖或测力计施加可控压力。结果显示，该光学式触觉传感器可成功检测出与“点击智能手机屏幕图标”强度相近的指尖压力，压力灵敏度达 8.7~10.9 dB/MPa；此外，它能在33毫秒内捕捉光强变化，经多次循环测试后仍保持良好的恢复性，并且压力定位的空间分辨率约为1.5毫米。
研究人员表示，这些结果证实了该光学式触觉传感器具备高灵敏度、高可靠性与可重复性。未来研究将聚焦于两方面：一是提升光学式触觉传感器的空间分辨率，并进一步将其拓展至3D交叉波导结构，以实现大面积、多点位、高密度的分布式触觉传感；二是优化制备工艺以降低成本、提高集成度，同时探索该技术在人机交互领域的实际应用场景。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.572242
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