這項研究發(fā)表于最新一期的《科學(xué)機器人》(Science Robotics)期刊，在這篇主題為“透過(guò)可伸縮光波導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)，這些彈性體光波導可用于監測任何變形(拉伸、彎曲與壓縮)對于光傳播的影響。
在這項研究中的彈性體光波導是利用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)際應用環(huán)境中測試其感測功能。
用于制造波導的制程步驟(每個(gè)步驟都具有相應的橫截面)
實(shí)際的波導呈彎曲形狀
雖然本體感應通常發(fā)生在傳統的機械手臂上，并透過(guò)馬達運動(dòng)編碼器結合大型的剛性多軸力/扭矩負載單元執行，但在這項研究中只有一種連續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)的柔性機器手上，每支手指都配備三個(gè)可彎曲成U型的波導，用于偵測整個(gè)手指的軸向應力。而在沒(méi)有軸向應力的手指中安裝剛性板，其中一個(gè)波導則在指尖處作為觸控傳感器。
由于原始波導模具的表面粗糙度取決于3D打印的分辨率，這些波導的光學(xué)傳輸性能可經(jīng)由設計為非等向性。這是因為波導核心接口的“頂部”具有原子級的平滑度，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(zhù)信號的輸出取決于(向上或向下)彎曲的方向。這種信號傳播的非等向性也可用于左右彎曲偵測的應用。
利用基于波導的光電傳感器，研究人員得以偵測施加在彈性體硅膠手指的曲率、延展性與應力。
將制造完成的手安裝在機器手臂上、掃瞄計算機鼠標以及從感測數據中重建輪廓
分析這些光學(xué)數據(波導變形時(shí)的光損耗)顯示，這種柔性義肢手可以區別小至5m^-1的曲線(xiàn)，以及0.1mm數量級的粗糙度。在進(jìn)行展示時(shí)，研究人員以手指拖曳簡(jiǎn)單對象(如鼠標)的掃描動(dòng)作，顯示他們已能純粹從光學(xué)數據中重建鼠標的形狀，包括鼠標的滾輪與點(diǎn)擊動(dòng)作。
這種機器手不僅能偵測形狀和紋理，還可根據三種波導的應力分析，偵測不同測試對象的柔軟度。
該研究并作出了結論：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可作為傳感器的通用性。此外，由于波導傳感器以及致動(dòng)器主體共享材料庫(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)現更高的傳感器密度。利用來(lái)自L(fǎng)ED的更大功率范圍(從基礎功率到環(huán)境光功率)，以及擴大柔性致動(dòng)器的壓力范圍，以更多力量按壓對象，從而能夠提高靈敏度。
研究人員強調，盡管傳感器被建構在手指致動(dòng)器內部的不同位置，但仍能觀(guān)察到信號耦合。他們期望透過(guò)納入更多的傳感器擷取更密集的信息，輸出信號也將實(shí)現越來(lái)越多耦合，但研究人員們預期，由于波導傳感器的輸出極其精確且可重復，可以利用機器學(xué)習技術(shù)將輸入映像到輸出，或透過(guò)收集大量數據以執行更微妙的對象辨識。
