MIT 研发可感知自身形变的柔性传感片，弯曲扭转时实时重建 3D 形状

麻省理工学院的工程师们开发出一种柔性形状传感片，它能在弯曲和扭转时以数字方式重建自身形态。 

这种传感器在原理上类似于某些动作捕捉服装，后者通过追踪人的身体动作，在虚拟化身中模仿这些动作。那些设计使用的是刚性传感器，被缝制在服装的关键位置。 

相比之下，该团队的新设计使用了多根柔软的光纤，这些光纤在柔软且可拉伸的薄片中呈之字形分布。当薄片弯曲时，光纤也随之弯曲，改变在其中传播的光的模式。研究人员开发了一种算法，能够实时解读这些弯曲的光模式，从而生成与薄片运动方式相同的数字图像。该团队还表明，这种设计具有抗损伤能力：即使有几根光纤被切断或断开，剩余的光纤仍能准确重建薄片的整体形状。 

“我们的装置目标是实现完全柔软且可拉伸的传感表面，因此在与人体或柔软环境交互时可能更安全，”麻省理工学院机械工程研究生Qifan Yu说。 

该团队设想，这种新设计可以制成柔软且柔韧的服装，用户穿着舒适，可用来物理控制电子游戏角色或遥操作机器人。这种薄片还可用于物理治疗场景，包裹在患者的腿部或手臂上，以追踪并记录每次治疗中的活动能力和关节活动范围。 

“在物理治疗中，你经常需要收集患者数据，比如他们在康复期间如何移动和伸展手臂，”Yu说。“表面形状传感在这方面可能非常有用。” 

Yu及其同事在发表于《Advanced Intelligent Systems》期刊的一项研究中展示了他们的设计。该研究在麻省理工学院的共同作者包括研究生Nina Cao和机械工程助理教授Kaitlyn Becker。

光的形状

该团队的形状传感设计是对标准光纤的一种改进。光纤也称为波导，其设计目的是高效地引导光通过纤维。光纤由透明材料（如玻璃）制成的纤芯组成，外面包裹着深色不透明的包层。当光从光纤一端射入时，深色包层将光困在玻璃纤芯内，而纤芯本身极其光滑，使光能以近乎完美的效率直接穿过光纤。波导被用于光纤电缆中，以实现超高速、高效的数据传输和电信。 

科学家们还尝试将波导用作简单的形状传感器：当光纤弯曲时，会影响有多少光能够一路通过。光纤弯曲得越多，从另一端射出的光就越少。因此，射出的光量可以衡量光纤的弯曲程度。通过这种方式，光纤已被用于感知简单的曲率。 

“人们已经用波导来感知线条的形状，并将其应用于机器人手臂以观察其如何弯曲，”Yu说。“但它们尚未被应用于表面形状传感，以重建表面的3D形状。这正是我们在这里尝试做的。”

光纤改进

在新设计中，研究人员制造了自己的光纤，并加入了一些创新。与传统波导一样，他们的光纤由透明纤芯和深色包层组成。但他们没有使用硬质玻璃，而是采用了一种透明、柔韧的橡胶纤芯，以及由同样橡胶材料染黑制成的包层。 

他们没有保持纤芯完全光滑，而是故意将一侧粗糙化。他们推断，如果光纤的一侧比另一侧更粗糙，那么当光纤向一个方向弯曲时，任何穿过光纤的光都会从粗糙表面散射，并影响从另一端射出的总光量。与光纤以相同角度但朝向光滑侧弯曲时相比，这个光量会有所不同。通过这种方式，这种半粗糙光纤应该能充当双向形状传感器。 

该团队制造了多根双向光纤，并试图将它们嵌入一块柔软的硅胶片中，其排列方式使得光纤在硅胶片弯曲和扭转时能够重建其形状。为此，研究人员对嵌入不同光纤图案的硅胶片进行了模拟，从简单的棋盘格到交叉、锯齿形排列。 

他们模拟了弯曲或扭转硅胶片的不同方式，并测量了每种光纤配置下硅胶片的光输出。他们将光测量值转换为每根光纤弯曲程度的估计值，并将这些估计值结合起来，构建出硅胶片的整体3D形状，然后将其与原始模拟的硅胶片形状进行比较。通过这些模拟，他们发现特定间距的锯齿形光纤最接近重现硅胶片的原始形状。

随后，研究人员制造了一块形状传感硅胶片，其中嵌入了相同锯齿形图案的光纤。他们在每根光纤的一端安装了LED，另一端安装了光传感器，并将其连接到外部电路板以收集和放大光测量值。他们还开发了一种算法，可自动将光纤测量值转换为硅胶片整体3D形状的重建。 

在实验中，他们展示了当研究人员将硅胶片扭成不同形状时，该算法几乎实时地流畅生成了硅胶片的虚拟重建。例如，当他们沿对角线折叠硅胶片，然后向相反方向再次折叠时，虚拟孪生体几乎实时地模仿了这些变化的形状。 

他们还将硅胶片放入不同的3D打印模具中，以便精确测量数字重建的硅胶片与覆盖在每个模具上的实体硅胶片之间的差异。在这些测试中，他们发现这种柔性传感硅胶片比其他设计更准确。

“我们使用一个描述实际表面与重建表面之间距离的指标，据此发现我们的误差小于0.4厘米，”Yu说。“基于刚性传感器的现有设计误差约为1到2厘米。所以这相当不错，至少与现有技术相当。”

该团队将进一步优化传感片，首先将其变薄。目前，光纤的厚度为1毫米。其他制造工艺可以将其削减至几十微米，比一根头发丝还细。然后，研究人员设想将更多光纤嵌入衣物中，以感知其形状和形态的细微变化，例如用于评估患者在物理治疗中的表现。 

“我们希望构建工具，增强物理治疗师的能力，并帮助他们随时间追踪和量化患者的进展，”Becker说。“这些传感片可以帮助物理治疗师更精确地回忆和比较今天的评估与两个月前、数百次预约之前的评估有何不同。”

这项研究部分得到了MathWorks的支持。