三軸觸覺壓力傳感器能夠在單個點(diǎn)上檢測法向和切向壓力，提供全面且精確的機(jī)械信息，性能媲美甚至超越人類觸覺。通過傳感器陣列識別多點(diǎn)壓力分布，結(jié)合人工智能和數(shù)據(jù)分析，研究人員已展示了更智能感知功能的可行性。傳感器的薄型和輕量化設(shè)計對系統(tǒng)級集成和柔性至關(guān)重要，推動了機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療和人機(jī)交互等領(lǐng)域的突破。然而，具有薄膜形式和柔性的光學(xué)多點(diǎn)三軸壓力傳感器尚未實(shí)現(xiàn)，主要受限于剛性透鏡聚焦系統(tǒng)和成像電路的要求，以及壓力下標(biāo)記位置變化較小導(dǎo)致的三軸壓力檢測精度不足。

鑒于此，東京大學(xué)Takao Someya課題組，在" Science Advances"期刊上發(fā)表了題為“ An optical-based multipoint 3-axis pressure sensor with a flexible thin-film form”的最新論文。作者提出了一種柔性壓力傳感器，通過光學(xué)方法檢測多點(diǎn)三軸壓力。該傳感器包含一個6 × 8的傳感單元陣列，用于檢測總面積為3 cm × 4 cm的多點(diǎn)法向和切向壓力分布。薄膜傳感器的整體厚度僅為1.5 mm，所有組件均為柔性，因此可以彎曲至18 mm的半徑。該傳感器在長時間操作和重復(fù)測試中表現(xiàn)出一致的響應(yīng)和優(yōu)異的耐久性，同時提供高達(dá)360 kPa的法向壓力響應(yīng)和高達(dá)100 kPa的切向壓力響應(yīng)，且檢測誤差極低。作者的傳感器具有較大的感測范圍，能夠在大多數(shù)觸覺應(yīng)用場景中準(zhǔn)確提供多點(diǎn)三軸壓力信息，同時又薄且柔性，允許其安裝在曲面上，而不會嚴(yán)重干擾物體的原始結(jié)構(gòu)和形態(tài)。

高分辨率與高靈敏度：傳感器通過光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)三軸觸覺壓力傳感，能夠提供豐富的表面壓力分布信息，適用于多種與人類互動相關(guān)的機(jī)器人應(yīng)用。

薄膜柔性設(shè)計：傳感器采用薄膜形式，厚度僅1.5mm，彎曲半徑可達(dá)18mm，能夠在復(fù)雜曲面上靈活安裝，且不影響物體原始形狀。

大范圍壓力檢測：在3cm×4cm區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)三軸壓力分布檢測，法向和切向壓力檢測范圍分別達(dá)到360 kPa和100 kPa，具有高精度和廣泛的動態(tài)范圍。

創(chuàng)新光學(xué)調(diào)制技術(shù)：使用多孔橡膠作為三軸壓力敏感光調(diào)制器，省去了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中厚重且剛性的聚焦系統(tǒng)，同時保持了高靈敏度。

集成柔性組件：通過集成超薄柔性背光源和成像器，傳感器整體輕薄且柔韌，無需剛性成像芯片，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模壓力傳感的靈活性和高精度。

簡化安裝與集成：傳感器無需高集成度或重新設(shè)計目標(biāo)物體，可直接安裝在現(xiàn)有物體上，顯著降低了安裝和系統(tǒng)集成的難度。

圖1. 基于光學(xué)的多點(diǎn)三軸壓力傳感器結(jié)構(gòu)。(A) 傳感器構(gòu)造示意圖。(B) 傳感器結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。(C) 柔性成像器的像素照片。比例尺，100 μm（上）和20 μm（下）。(D) 柔性成像器的電路圖。VREF、VCOM、RST 和 ASW 分別代表參考電壓、公共電壓、復(fù)位開關(guān)和模擬開關(guān)。

圖2. 背光層和多孔橡膠的制作和性能。(A) PDMS-TiO2復(fù)合光散射器的照片。比例尺，1 cm。(B) 散射膜的制作工藝。(C) 散射膜的橫截面掃描電子顯微鏡圖像，顯示TiO2顆粒嵌入膜表面厚度為2至3μm的區(qū)域。比例尺，2μm。(D) 背光發(fā)出的光點(diǎn)，左側(cè)為帶散射膜，右側(cè)為不帶散射膜。(E) 帶有6 × 8發(fā)光窗口陣列的背光層的照片。比例尺，1 cm。(F) 背光層在彎曲后與平坦?fàn)顟B(tài)下不同位置的發(fā)光強(qiáng)度變化。插圖顯示了彎曲方向的示意圖。平面彎曲和垂直彎曲分別表示沿光纖光注入方向和垂直于該方向的彎曲。(G) 多孔橡膠制作過程的示意圖。(H) 半透明多孔橡膠的光學(xué)特性。左：原始狀態(tài)下的橡膠顯示出強(qiáng)烈的光散射。右：橡膠被玻璃板壓縮，間隙增大。比例尺，1 cm。(I) 安裝在扶手上的柔性傳感器照片，用于檢測三軸壓力分布。比例尺，2 cm。

圖3. 三軸壓力傳感器的機(jī)制和響應(yīng)。(A) 傳感單元的三軸壓力傳感機(jī)理。傳感單元內(nèi)的光分布示意圖（左）以及底部成像器記錄的光斑輪廓（右），分別在原始狀態(tài)（頂部）、正常壓力下（中部）以及同時施加正常和切向壓力下（底部）。光斑輪廓上的虛線和箭頭用于說明形狀和位置的變化。(B) 自制的三軸壓力加載和測量裝置。比例尺，5cm。(C) 光斑擬合以檢測正常壓力。頂部：無正常壓力時的擬合結(jié)果。底部：施加360 kPa正常壓力時的擬合結(jié)果。(D) 光斑擬合以檢測切向壓力。為便于觀察，展示了擬合的1D輪廓。頂部：無切向壓力時的擬合結(jié)果。底部：施加105 kPa切向壓力時的擬合結(jié)果。(E和F) 有無使用多孔橡膠的傳感器在正常（E）和切向（F）壓力響應(yīng)的比較。(G至I) 一個傳感單元的壓力響應(yīng)模擬。固體力學(xué)模擬顯示傳感器在不同壓力加載下的應(yīng)力和變形（G）：原始狀態(tài)（頂部）、正常壓力加載（中部）以及正常和切向壓力加載（底部）。幾何光學(xué)模擬顯示在相應(yīng)壓力加載下傳感器內(nèi)模擬光線和光程時間（H）。底部成像器接收到的光信號來自幾何光學(xué)模擬，以及在相應(yīng)壓力加載下擬合到1D高斯函數(shù)的結(jié)果（I）。

圖4. 傳感器的特征。(A和B) 通過移動帶電機(jī)的工作臺，使用自制裝置施加受控的法向壓力(A)和切向壓力(B)的示意圖。(C和D) 在階躍變化的法向壓力(C)和切向壓力(D)下，傳感單元的響應(yīng)。在切向壓力實(shí)驗中，同時施加300 kPa的法向壓力以保持可靠的接觸。(E和F) 在準(zhǔn)靜態(tài)法向壓力(E)和切向壓力(F)下，傳感單元進(jìn)行1000次重復(fù)測試及計算的壓力檢測誤差。在切向壓力實(shí)驗中，同時施加200 kPa的法向壓力以保持可靠的接觸。(G到I) 多點(diǎn)三軸壓力分布檢測。施加三種不同壓力模式于傳感器的示意圖(G)：單指觸摸(左)、雙指觸摸(中)以及通過桿施加的壓力(右)。比例尺，1 cm。在相應(yīng)壓力模式下主要施加法向壓力(H)和同時施加法向與切向壓力(I)時檢測到的三軸壓力分布。

結(jié)論與展望

作者開發(fā)了一種超薄、柔性的大型壓力傳感器，能夠在3cmx4cm區(qū)域內(nèi)檢測3軸壓力分布，具有6×8個檢測點(diǎn)。該傳感器由塑料薄膜構(gòu)成，厚度僅1.5mm，彎曲半徑為18mm，可輕松附著于各種曲面，適用于復(fù)雜物體表面的多點(diǎn)三軸壓力傳感。其能夠在360 kPa和100 kPa范圍內(nèi)準(zhǔn)確檢測法向和切向壓力，具有廣泛的動態(tài)范圍，適用于多種觸覺交互場景。通過使用多孔結(jié)構(gòu)的橡膠薄膜調(diào)制光散射，作者克服了光學(xué)傳感器在微小變形下檢測的挑戰(zhàn)，省去了笨重的照明和聚焦系統(tǒng)，并利用超薄柔性成像器實(shí)現(xiàn)了高精度、大規(guī)模的壓力傳感。這一設(shè)計使得傳感器無需高集成度或重新設(shè)計目標(biāo)物體，能夠輕松應(yīng)用于現(xiàn)有物體上的壓力監(jiān)測。