這項(xiàng)研究發(fā)表于最新一期的《科學(xué)機(jī)器人》(Science Robotics)期刊，在這篇主題為“透過(guò)可伸縮光波導(dǎo)的光電方式支配柔性義肢手臂”(Optoelectronically innervated soft prosthetic hand via stretchable optical waveguides)一文中，研究人員詳細(xì)描述由光學(xué)透明核心(在860nm時(shí)約有2dB/cm的傳播損耗)形成化學(xué)惰性可伸縮光波導(dǎo)的制造與作業(yè)，包覆成為光阻彈性體。一旦其中一端裝配LED，而另一端為光電二極管時(shí)，這些彈性體光波導(dǎo)可用于監(jiān)測(cè)任何變形(拉伸、彎曲與壓縮)對(duì)于光傳播的影響。
在這項(xiàng)研究中的彈性體光波導(dǎo)是利用3D打印取得的低成本客制模具制造的，它具有每邊3mm的正方形輪廓，內(nèi)部核心約1mm寬。其中幾個(gè)可容納在氣動(dòng)的柔性義肢手指中，并可在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中測(cè)試其感測(cè)功能。
用于制造波導(dǎo)的制程步驟(每個(gè)步驟都具有相應(yīng)的橫截面)
實(shí)際的波導(dǎo)呈彎曲形狀
雖然本體感應(yīng)通常發(fā)生在傳統(tǒng)的機(jī)械手臂上，并透過(guò)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)編碼器結(jié)合大型的剛性多軸力/扭矩負(fù)載單元執(zhí)行，但在這項(xiàng)研究中只有一種連續(xù)的柔性傳感器能夠有效地支配柔性的義肢手。
在研究人員開(kāi)發(fā)的柔性機(jī)器手上，每支手指都配備三個(gè)可彎曲成U型的波導(dǎo)，用于偵測(cè)整個(gè)手指的軸向應(yīng)力。而在沒(méi)有軸向應(yīng)力的手指中安裝剛性板，其中一個(gè)波導(dǎo)則在指尖處作為觸控傳感器。
由于原始波導(dǎo)模具的表面粗糙度取決于3D打印的分辨率，這些波導(dǎo)的光學(xué)傳輸性能可經(jīng)由設(shè)計(jì)為非等向性。這是因?yàn)椴▽?dǎo)核心接口的“頂部”具有原子級(jí)的平滑度，而“底部”核心接口則由于脫膜而具有平均6nm的粗糙度。這等非等向性意味著信號(hào)的輸出取決于(向上或向下)彎曲的方向。這種信號(hào)傳播的非等向性也可用于左右彎曲偵測(cè)的應(yīng)用。
利用基于波導(dǎo)的光電傳感器，研究人員得以偵測(cè)施加在彈性體硅膠手指的曲率、延展性與應(yīng)力。
將制造完成的手安裝在機(jī)器手臂上、掃瞄計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)以及從感測(cè)數(shù)據(jù)中重建輪廓
分析這些光學(xué)數(shù)據(jù)(波導(dǎo)變形時(shí)的光損耗)顯示，這種柔性義肢手可以區(qū)別小至5m^-1的曲線，以及0.1mm數(shù)量級(jí)的粗糙度。在進(jìn)行展示時(shí)，研究人員以手指拖曳簡(jiǎn)單對(duì)象(如鼠標(biāo))的掃描動(dòng)作，顯示他們已能純粹從光學(xué)數(shù)據(jù)中重建鼠標(biāo)的形狀，包括鼠標(biāo)的滾輪與點(diǎn)擊動(dòng)作。
這種機(jī)器手不僅能偵測(cè)形狀和紋理，還可根據(jù)三種波導(dǎo)的應(yīng)力分析，偵測(cè)不同測(cè)試對(duì)象的柔軟度。
該研究并作出了結(jié)論：盡管這種柔性義肢手仍只是一種研究原型，但卻突顯了柔性光波導(dǎo)可作為傳感器的通用性。此外，由于波導(dǎo)傳感器以及致動(dòng)器主體共享材料庫(kù)(硅晶、彈性體…)，使得更多的傳感器均可被整合于致動(dòng)器或甚至取代致動(dòng)器主體，以實(shí)現(xiàn)更高的傳感器密度。利用來(lái)自LED的更大功率范圍(從基礎(chǔ)功率到環(huán)境光功率)，以及擴(kuò)大柔性致動(dòng)器的壓力范圍，以更多力量按壓對(duì)象，從而能夠提高靈敏度。
研究人員強(qiáng)調(diào)，盡管傳感器被建構(gòu)在手指致動(dòng)器內(nèi)部的不同位置，但仍能觀察到信號(hào)耦合。他們期望透過(guò)納入更多的傳感器擷取更密集的信息，輸出信號(hào)也將實(shí)現(xiàn)越來(lái)越多耦合，但研究人員們預(yù)期，由于波導(dǎo)傳感器的輸出極其精確且可重復(fù)，可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)將輸入映像到輸出，或透過(guò)收集大量數(shù)據(jù)以執(zhí)行更微妙的對(duì)象辨識(shí)。
