基于光学的多点三轴触觉压力传感

通过高分辨率和高灵敏度的光学系统实现的多点三轴触觉压力传感提供了关于表面压力分布的丰富信息，并在各种人机交互和机器人应用中发挥着重要作用。然而，光学系统通常具有庞大的外形尺寸，这给传感器安装和系统集成带来了困难。

据麦姆斯咨询报道，近日，日本东京大学（The University of Tokyo）的研究人员展示了一种通过光学方法构建的柔性薄膜多点三轴压力传感器。该传感器可以检测3 cm × 4 cm面积上的三轴压力分布，高精度法向和切向压力传感分别高达360 kPa和100 kPa。采用多孔橡胶作为三轴压敏光调制器，以在不牺牲灵敏度的情况下省去了厚重且刚性的调焦系统。此外，通过集成薄且柔的背光层和成像器，该传感器的总厚度为1.5 mm，即使弯曲到18 mm的半径也能正常工作。相关研究成果以“An optical-based multipoint 3-axis pressure sensor with a flexible thin-film form”为题发表在Science Advances期刊上。

该传感器的主要结构为顶部柔性背光层，中间是半透明多孔橡胶制成的压敏层，底部是薄膜柔性成像器。当施加压力时，多孔橡胶的变形将导致橡胶间隙和发光位置的改变。通过分析成像器上形成光斑的变化，可以重建多点三轴压力。通过将整个区域划分为6 × 8个传感单元，每个传感单元可以检测单点三轴压力，从而在整个区域上识别多点三轴压力分布。

基于光学的多点三轴压力传感器的结构

为了实现整体器件的薄度和柔性，制造了薄的背光层以将光引入传感器。研究人员通过涂覆和剥离方法将TiO2颗粒和PDMS的复合物制成了一种薄且可拉伸的扩散片。背光层为每个传感单元提供点光源阵列，以实现大面积多点三轴压力传感。

多孔橡胶是通过将糖颗粒（granulated sugar）混合到聚二甲基硅氧烷（PDMS）中并在固化后溶解糖而制成的。当在压力下压缩时，由于内部孔隙的部分闭合，可以发现橡胶间隙增加，光散射较弱。因此，多孔橡胶成为一种三轴压敏光传输调制器，利用这种半透明的多孔橡胶介质，所设计的薄膜传感器可以捕捉到随施加压力而发生的显著光分布变化。由于使用了塑料薄膜和橡胶材料来构建每个组件，整个传感器的总厚度为1.5 mm，可以弯曲并安装在扶手等曲面上。

背光层和多孔橡胶的制备及性能

所开发传感器的法向和切向压力传感分别高达360 kPa和100 kPa。传感单元的性能在法向压力和切向压力下都表现出良好的响应一致性，并且在重复测试中没有观察到退化，表明该传感器具有良好的再现性和稳定性。这得益于简单可靠的传感结构设计：法向和切向压力的响应仅来自光斑的形状变化，与光强无关，而光斑的形状变化是具有高弹性变形能力和机械耐久性的多孔PDMS橡胶的直接响应。

传感器特性

总而言之，研究人员开发了一种大面积柔性压力传感器，可以在3 cm × 4 cm的区域内通过6 × 8个检测点检测三轴压力分布。该传感器由塑料材料制成，具有薄膜形式，可以很容易地附着在各种曲面上。精确的法向和切向压力检测分别超过360 kPa和100 kPa，确保传感器具有宽的动态范围，从而可以适应不同的触觉交互场景。这种薄而柔的结构和压力检测能力使其能够提供前所未有的三轴压力分布信息，有助于在不同领域实现先进的压力跟踪、抓握控制和滑移检测。

编辑：黄飞