据中国激光杂志社网，于2023年11月16日报道， 封面形象地展示了微纳光纤柔性触觉传感单元（FIMF）柔性仿生触觉传感器的工作原理：以微纳光纤作为“光学神经元”，并通过模拟指尖皮肤的生物微结构加以封装；触觉特征（压力、硬度、振动等）被仿生结构换能为微纳光纤的透射光强度变化，通过分析透射光强时频特征解调出触感信息。
导读
本研究旨在通过引入受人类指尖皮肤启发的微纳光纤柔性触觉传感单元（FIMF）来提升机器人的感知能力。经过优化设计，FIMF传感器实现了高灵敏度、快速响应、宽范围检测以及对物体硬度和表面纹理的识别。这项研究对于机器人技术和柔性仿生装置的发展具有重要意义，为未来的科技创新和智能机器人技术提供了有力支持。
1.研究背景
柔性仿生触觉传感器的迅速演化是为了实现仿人类触觉感知的总体目标，从而增强机器人的感知敏感度。传统的电学感知方案受限于寄生效应、信号串扰制、造价成本高等因素。而在光学感知方案中，微纳光纤(MNF)具有尺寸小、柔韧性强、灵敏度高、抗电磁干扰、易于制作等优点，在柔性触觉传感领域拥有独特的优势。目前，基于MNF的触觉传感器达到了极高的灵敏度，并初步实现了在触觉特征的单/双模态检测、人机交互等方面的功能。然而，目前仍然未解决触觉灵敏度与检测范围同时兼顾的问题，同时还容易受到与磨损有关问题的影响。
本研究引入了一种受指尖皮肤微结构（FIMF）启发的MNF柔性触觉传感单元。通过模拟指尖皮肤的生物微结构和触觉传导机制，FIMF实现了对机械刺激的高灵敏度、宽范围检测和对物体特征的识别。
2.基于微纳光纤的柔性仿生微结构触觉传感器研究
人类指尖皮肤独特的生物微结构（图1(a)）和触觉传导机制的启发，本文提出了一种具有指纹结构和互锁微结构的FIMF触觉传感器（图1(b)）。FIMF由刚度差异化的两层弹性树脂环形脊结构以及封装MNF之后的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜组成， FIMF中顶层环形脊的引入是为了模拟人类指尖的指纹结构，从而有效地增强表面粗糙度以及强化对滑动/摩擦引起的机械刺激的检测能力；而中间PDMS层则是为了保护微纳光纤，以及增强机械刺激从而提高灵敏度并降低干扰；底层环形脊则和顶层环形脊在结构上属于错峰结构，通过牢固组装在一起之后形成类似于指尖皮肤中的表皮/真皮互锁微结构，能够有效放大触觉刺激。
本文探讨了PDMS薄膜厚度和环形脊尺寸对FIMF触觉压力响应的影响。根据力学模拟结果，确定了最佳传感器参数：PDMS薄膜厚度为50 µm，上环形脊厚度为0.2 mm，下环形脊厚度为0.4 mm。所制作的MNF直径~5 μm，腰锥长~2200 μm的MNF显微镜图像如图2(a)所示，FIMF触觉传感器如图2(b)，封装前后直径为~5 μm的MNF透射光谱变化如图2(c)所示。
该团队还广泛地检验了FIMF对不同触觉刺激的响应，包括静态和动态压力等。实验结果表明，在不同压力下，FIMF的透射光强度呈现逐渐降低的趋势（图3（a））。在1550 nm波长下，FIMF的最高压力灵敏度达到20.58% N-1，检测范围涵盖0-16 N（图3（b））。此外，传感器表现出出色的响应(86 ms)和恢复速度（图3（c））。本工作中提出的FIMF传感器通过引入互锁仿生环形微结构，在拓展传感范围的基础上有效提高了其在小触压范围（0-2 N）的灵敏度。由于微结构的引入，能够有效放大触觉机械刺激并转化为MNF的形变，不需要将MNF拉锥至极细的直径（1 µm以下），仅需将MNF拉锥至直径约5 µm，这简化了MNF的拉锥工艺和制备难度，并增强了结构的总体韧性。
最后，团队考察了FIMF对物体硬度和表面纹理的识别能力。将机械手指的运动距离与FIMF的力反馈相结合，根据透射光强的负峰值来识别物体的硬度特征。对不同硬度标准块（图4(a)）和常见物体（图4(b)）进行抓握识别，很明显，可以通过FIMF的输出信号进行区分。同时，通过分析物体与FIMF相对滑动时透射光强度随时间的振荡波形（图4(c)），实现了对物体纹理的感知和计算。
3.后续工作展望
未来，本课题组将专注于三个关键方向，推动FIMF传感技术的发展。首先，将持续优化传感器性能，提高其灵敏度和稳定性，以满足不同应用的需求。其次，将FIMF传感器阵列化、集成化，实现多模态微型感知，提供更全面的信息。最后，将探究先进的算法，更有效地分析传感器数据，支持基于触觉的物体感知及识别等任务，实现智能自适应系统。
通讯作者简介
罗彬彬，重庆理工大学，教授
E-mail：luobinbin@cqut.edu.cn
博士，重庆英才·青年拔尖人才（首批），重庆市学术技术带头人后备人选，光纤传感与光电检测重庆市重点实验室副主任。主要研究领域：光纤生物医学检测、仿生传感、红外光电检测应用研究。曾主持（或承担）国家自然科学基金4项、省部级项目10余项（重大1项、重点1项）。以第一（或通讯）作者在国内外期刊发表SCI/EI论文50多篇，获重庆市科协首届自然科学优秀学术论文奖1项；制定光电传感方面的地方标准 2 件。
第一作者简介
范成磊，重庆理工大学在读硕士研究生
E-mail：1574898532@stu.cqut.edu.cn
重庆理工大学，电子信息（光电工程领域）硕士研究生，从事光纤传感技术方面的研究，主要研究方向为柔性触觉感知。国家奖学金获得者，主持一项重庆市级研究生创新项目，发表SCI/EI论文4篇。
