CN114441461A - 一种基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器。柔性基底、隔离层、柔性薄膜依次层叠布置，柔性基底和隔离层之间、隔离层和柔性薄膜之间分别布置有一根微纳光纤，两根微纳光纤均沿直线平行布置且正上下方布置；两根微纳光纤分别感知接近觉和感知接触觉，感知接近觉的微纳光纤位于上方，感知接近觉的微纳光纤之上布置有湿度敏感层，湿度敏感层上方的柔性薄膜处开设有湿度和压力工作窗口。本发明可实现接近、接触、离开等全过程监测，为多功能光子皮肤在人机交互、智能机器人方面的应用提供了一种新的可行性设计方案。
Description
技术领域
本发明属于触觉感知领域的一种触觉传感器，具体是涉及了一种基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器。
背景技术
人体触觉是皮肤中的机械感受器对不同的外界刺激产生响应后，各种刺激信号经过神经的传递，在大脑中有效融合后实现的触觉感知。人体的触觉生理，包括机械感受器、神经编码方案和抓取策略，启发了科学家设计人机交互***。
目前，电子皮肤已经从检测单一功能发展至同步检测复杂变量。目前，基于电阻式、电容式、电感式等策略的电学传感器已经用于检测压力、温度、接近度、振动等。随着灵敏感知的迫切需求，协同监测接近—接触事件引起了触觉感知领域的广泛研究兴趣。例如：中科院纳米能源所王中林教授课题组开发了一种高度可伸缩的矩阵网络，将电子皮肤的感应功能拓展至温度、面内应变、湿度、光、磁场，压力和接近度。郑州大学代坤教授和中科院纳米能源所潘曹峰教授课题组利用多层银纳米线/还原氧化石墨烯/热塑性聚氨酯薄膜合作开发了一种具有可调应变检测范围的用于超灵敏接触和非接触传感的多功能电子皮肤。
与电学传感器相比，基于光学的光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰、灵敏度高和响应速度快等优点。最近，南京大学徐飞教授课题组报道了一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)嵌入式混合等离子体微纳光纤谐振腔的可穿戴设备用于高灵敏的压力感知。我们课题组利用PDMS包埋的微纳光纤实现了压力、应变、弯曲角度和温度的感知。虽然基于光学原理的多功能触觉感知研究取得了重要进展，但是对于接近—接触觉的协同感知研究仍然缺乏。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器，它能够实现接近觉和接触觉的协同测量。
本发明是一种具有皮肤结构和功能特征的柔性光学触觉传感器，对于人机交互和健康医疗领域具有重要意义。
为实现以上上述目的，本发明所采取的技术方案是：
本发明包括柔性基底、两根拉伸过的微纳光纤、隔离层、柔性薄膜，柔性基底、隔离层、柔性薄膜依次层叠布置，柔性基底和隔离层之间布置有第一根微纳光纤，隔离层和柔性薄膜之间布置有第二根微纳光纤，两根微纳光纤均沿直线平行布置且第二根微纳光纤位于第一根微纳光纤的正上方。
两根微纳光纤均包括两端的未拉伸部分、中间的腰区以及连接在两端的未拉伸部分和中间的腰区之间的拉锥过渡区。
两根微纳光纤分别为感知接近觉的微纳光纤和感知接触觉的微纳光纤，感知接触觉的微纳光纤位于柔性基底和隔离层之间，感知接近觉的微纳光纤位于隔离层和柔性薄膜之间。
隔离层和柔性薄膜之间的感知接近觉的微纳光纤之上布置有湿度敏感层，湿度敏感层上方的柔性薄膜处开设有湿度和压力工作窗口。
感知接近觉的微纳光纤的腰区位于和感知接触觉的微纳光纤的腰区正上方，湿度敏感层布置在感知接近觉的微纳光纤的腰区上面。
两根微纳光纤中的腰区直径不同，感知接近觉的微纳光纤的腰区直径小于感知接触觉的微纳光纤的腰区直径。
所述的两根微纳光纤的两端均分别连接白光光源和光谱仪。
所述的柔性基底、隔离层、柔性薄膜采用相同材料，均采用折射率大于空气折射率、但小于微纳光纤折射率的材料。
所述的湿度敏感层材料除对湿度敏感之外，折射率需大于空气折射率、且小于微纳光纤折射率。
本发明的结构从上往下依次为接近觉感知单元，接触觉感知单元。接近觉和接触觉感知单元分别通过感知湿度和压力实现。其中，由一根微纳光纤、柔性基底、湿度敏感层和湿度感知窗口构成了接近觉感知单元包括，由另一根微纳光纤、柔性基底构成了接触觉感知单元。
本发明接近觉—接触觉传感器可实现接近、接触、离开等全过程监测，为多功能光子皮肤在人机交互、智能机器人方面的应用提供了一种新的可行性设计方案。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)基于光学原理的接近觉—接触觉传感器具有抗电磁干扰、响应速度快、灵敏度高等特点。
(2)本发明接近觉—接触觉隔离层可以完全避免接近觉和接触觉信号的串扰。
(3)本发明可以完全区分接近、接触、离开等全接触事件过程，同时可以对带指套的手指、裸手指等事件进行区别。
(4)本发明微纳光纤接近觉—接触觉传感器在人机交互、健康医疗等领域均具有很大的实用价值。
附图说明
图1是本发明微纳光纤接近觉—接触觉传感器使用时的结构示意图；
图2是本发明微纳光纤接近觉感知单元在不同湿度下的光谱图；
图3是本发明微纳光纤接近觉传感器的湿度和620nm光的透过率关系曲线；
图4是本发明微纳光纤接近觉传感器的响应时间曲线；
图5是本发明微纳光纤接触觉传感器其透过率随压力变化的光谱图；
图6是本发明微纳光纤接触觉传感器在不同压力下多个波长的透过率曲线图；
图7是本发明微纳光纤接近觉—接触觉传感器在不同事件中的透过率图。
图中：1—柔性基底，2—未拉伸部分，3—拉锥过渡区，4—用于感知接触觉的微纳光纤的腰区，5—隔离层，6—用于感知接近觉的微纳光纤的腰区，7—柔性薄膜，8—湿度敏感层，9—湿度和压力工作窗口，10—白光光源，11—光谱仪，12—白光光源，13—光谱仪，14—用于施加湿气的湿度测试装置，15—用于施加压力的力学测试装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明具体实施包括用于放置感知接触觉的微纳光纤的柔性基底1、两根拉伸过的微纳光纤、用于隔离接近—接触觉信号的隔离层5、用于覆盖感知接近觉微纳光纤的柔性薄膜7和湿度敏感层8，柔性基底1、隔离层5、柔性薄膜7依次层叠布置，柔性基底1和隔离层5之间布置有第一根微纳光纤，隔离层5和柔性薄膜7之间布置有第二根微纳光纤，隔离层5用于隔离接近和接触感知的两根微纳光纤，两根微纳光纤均沿直线平行布置且第二根微纳光纤位于第一根微纳光纤的正上方。
两根微纳光纤均包括两端的未拉伸部分2、中间的腰区以及连接在两端的未拉伸部分2和中间的腰区之间的拉锥过渡区3。腰区直径小于两端的未拉伸部分2的直径，拉锥过渡区3外周为锥面将未拉伸部分2和腰区的不同直径进行过渡连接。
具体实施中，两根拉伸过的微纳光纤是由拉伸制备后形成。
感知接近觉和接触觉的微纳光纤呈直线形式分层贴于柔性基底上，接近觉的感知单元在传感器上层放置，接触觉的感知单元在传感器下层放置。
两根微纳光纤分别为感知接近觉的微纳光纤和感知接触觉的微纳光纤，感知接触觉的微纳光纤位于柔性基底1和隔离层5之间，感知接近觉的微纳光纤位于隔离层5和柔性薄膜7之间。
微纳光纤的拉锥过渡区、微纳光纤的腰区和未拉锥部分的局部放置于柔性基底且被柔性薄膜所包埋。且在感知接近觉的微纳光纤和感知接触觉的微纳光纤之间覆盖隔离层5，包埋微纳光纤接触觉单元和隔离接近—接触觉感知信号。
隔离层5和柔性薄膜7之间的感知接近觉的微纳光纤之上布置有湿度敏感层8，湿度敏感层8上方的柔性薄膜7处开设有湿度和压力工作窗口9，外界湿度透过湿度和压力工作窗口9接触到湿度敏感层8。
具体实施中，湿度和压力工作窗口9为环形带有通孔的结构体。
感知接近觉的微纳光纤的腰区位于感知接触觉的微纳光纤的腰区正上方，湿度敏感层8布置在感知接近觉的微纳光纤的腰区上面。
具体实施中，在隔离层5上面放置感知接近觉的微纳光纤，在感知接近觉的微纳光纤的上面覆盖带有小孔的薄膜7，在薄膜7的小孔中覆盖感知接近觉的敏感材料8。
两根微纳光纤中的腰区直径不同，感知接近觉的微纳光纤的腰区6直径小于感知接触觉的微纳光纤的腰区4直径，即用于接触觉感知的微纳光纤的腰区4大于用于感知接近觉的微纳光纤的腰区6。优选地，感知接近觉的微纳光纤的腰区直径为1.3μm，感知接触觉的微纳光纤的腰区直径为2μm。
两根微纳光纤的两端均分别连接白光光源和光谱仪。具体地，包括两台白光光源和两台光谱仪，其中一台白光光源10和一台光谱仪11分别与接近觉感知单元的两端连接，另一台白光光源12和光谱仪13分别与接触觉感知单元的两端连接。
感知接近觉的微纳光纤两端分别和白光光源10和光谱仪11连接，白光光源10发出光束，经感知接近觉的微纳光纤传导后输入到光谱仪11中；感知接触觉的微纳光纤两端分别和白光光源12和光谱仪13连接，白光光源12发出光束，经微纳光纤传导后输入到光谱仪13中。
具体实施的微纳光纤为基于SiO2材料的单模光纤(Corning,尺寸为9/125μm)。
隔离接近—接触觉信号的隔离层5的厚度使得感知接近觉的微纳光纤和感知接触觉的微纳光纤之间的信号无串扰。
具体实施中，设置感知接近觉的微纳光纤和感知接触觉的微纳光纤之间间隔200μm，即隔离层5厚度为200μm，以隔离接近觉和接触觉感知信号。
柔性基底1、隔离层5、柔性薄膜7采用相同材料，均采用折射率大于空气折射率、但小于微纳光纤折射率的材料，能够实现微纳光纤的导光特性。
湿度敏感层材料的折射率大于空气折射率、但小于微纳光纤折射率，保证微纳光纤的导光特性
为了保证设计的传感器能感知接近度，需要保证所选用的湿度敏感层能敏感感知湿度变化。具体实施中材料具体可以为全氟磺酸—结晶紫混合溶液
感知接触觉的微纳光纤腰区及其两端的拉锥过渡区3均被隔离接近—接触觉信号的隔离层5包裹在柔性基底1上，腰区4直径为1.9—2.1μm左右。
感知接近觉的微纳光纤部分腰区及其两端的拉锥过渡区被感知接近觉微纳光纤的薄膜7包裹在隔离接近—接触觉信号的隔离层5上，微纳光纤的部分腰区被感知接近觉的敏感材料8覆盖，微纳光纤腰区直径在1.1—1.3μm左右。
具体实施为了增加接近觉—接触觉传感器的响应范围，增大微纳光纤的腰区长度至1.5cm附近。
具体实施的微纳光纤按照以下处理获得：将单模光纤(康宁，9/125μm)固定在自制光纤拉锥平台，利用电解水产生的H2加热单模光纤使其达到熔融态，然后光纤拉锥平台以0.1mm/s的速度相向运动。
为了增大微纳光纤的腰区长度，在光纤拉锥平台以0.1mm/s的速度相向运动5s后，拉锥平台同时以2mm/s的速度同向运动，使得光纤腰区逐渐变细变长直至腰区直径在1.9—2.1μm，腰区长度在1.3—1.7cm左右，然后停止拉伸拉长，冷却形成。
将制备的感知接触觉的微纳光纤以直线型形式放置于柔性基底1上，再用隔离层5包裹。按照同样的制备方式，将直径为1.1—1.3μm，腰区长度为1.4—1.8μm的感知接近觉的微纳光纤以直线型形式放置于隔离层5上，再用柔性薄膜7覆盖，同时其部分腰区被感知接近觉的敏感材料8所覆盖。
由此使得微纳光纤均包埋于柔性材料中，本发明的柔性材料包埋的接近觉—接触觉传感器后具有良好的稳定性和鲁棒性。
本发明的接近觉和接触觉感知分别通过感知湿度和压力实现。
感知接近觉是通过感知湿度实现，湿度敏感层8的敏感材料是湿敏材料，保证设计的传感器对接近觉敏感。
湿度传导至湿度敏感层8的湿敏材料，在湿度增加时，湿敏材料在特性吸收波长下的吸收特性改变，通过监测白光光源10经接近觉微纳光纤传导至光谱仪11的信号变化获得不同的湿度，从而实现对接近觉的监测。
压力先施加至湿度和压力工作窗口9，经湿度敏感层8、上方感知接近觉的微纳光纤、隔离层5后施加到感知接触觉的微纳光纤的腰区4，使得腰区4产生形变，使得腰区4所传输的光信号产生弯曲损耗，进而通过监测白光光源12发出光束经过接触觉微纳光纤传导后到光谱仪13中的信号变化获得压力，从而实现对接触觉的监测。
具体实施中，还在湿度和压力工作窗口9上设置用于施加湿气以进行湿度检测测试的湿度测试装置14和用于施加压力以进行压力检测测试的力学测试装置15，分别以模拟湿度和压力的施加，进行测试接近觉感知和接触觉感知。
本发明的实施例如下：
以下以聚二甲基硅氧烷(PDMS)，全氟磺酸/结晶紫(Nafion-CV)，单模光纤(Corning,9/125μm)为实施例说明本发明基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器的制备及其技术效果。
1、制备过程
本实施例中柔性基底1、隔离层5和7都是采用折射率为1.397的PDMS，将光较好地约束于基于SiO2材料的微纳光纤。
(1)柔性衬底1的制备：将0.9mL的PDMS和0.09mL的固化剂混合，搅拌均匀后置于玻璃衬底上，静置10分钟后将其置于80℃加热台上加热15分钟后形成一层500μm厚度的PDMS柔性基底1。
(2)感知接触觉的微纳光纤的放置：将制备的直径为1.9—2.1μm、腰长为1.3—1.7cm的微纳光纤以直线型形式放置于PDMS柔性基底1上。
(3)隔离接近—接触觉信号的隔离层5的制备：将0.35mL的PDMS和0.035mL的固化剂混合，搅拌均匀后置于感知接触觉的微纳光纤的上面，静置10分钟后将其放置于80℃加热台上加热15分钟后形成一层200μm厚度的PDMS薄膜5。
(4)感知接近觉的微纳光纤的放置：将制备的直径为1.1—1.3μm、腰长为1.4—1.8cm的微纳光纤以直线型形式放置于PDMS隔离层5上。
(5)湿度和压力工作窗口9的制备：将PDMS和固化剂以5：1的混合比例制备高硬度的500μm厚度的PDMS膜，利用直径为5mm的打孔器在PDMS膜中间做成5mm的通孔，将尺寸为1cm×1cm的带有通孔的PDMS硬膜放置于感知接近觉的微纳光纤上。
(6)覆盖感知接近觉微纳光纤的薄膜7的制备：将0.35mL的PDMS和0.035mL的固化剂混合，搅拌均匀后置于除感知温度和压力工作窗口9外的感知接近觉的微纳光纤上，静置10分钟后将其置于80℃加热台上加热15分钟后形成一层200μm厚度的PDMS薄膜7。
(7)湿度敏感层8的制备：将40mg的结晶紫(CV)溶于10mL的甲醇中，均匀混合后提取0.15mL的CV溶液加入到1mL的Nafion溶液。混合均匀后提取4μL的Nafion-CV溶液滴入湿度和压力工作窗口9。在60℃加热台上加热5分钟后形成一层1μm厚度的Nafion-CV薄膜8。
2、湿度测试
在本实施例中，将制备的传感器置于自制的湿度可变的湿度室中，仅仅通过改变湿度室内的湿度，同时将微纳光纤传感器两端分别接白光光源10和光谱仪11，其光谱随湿度的变化如图2所示。
测试发现：在620nm波长处，随着湿度的增加，其透过率随之减少。提取620nm波长对应的透过率变化，如图3所示，表明：湿度在40％RH—80％RH范围内，随着湿度的增加，透过率线性减小，其变化率为1.88％/％RH。同时，传感器的响应时间图如图4所示。如果将T90时间：即到达最终稳定值90％的时间设定为响应时间，在相对湿度从50％变化至100％时，响应时间仅为120ms，表明传感器的响应时间非常快。
3、压力测试
在本实施例中，将制备的传感器置于室温环境中，开启力学测试装置施加压力至腰区，仅仅改变施加于传感器的压力，同时传感器两边分别接白光光源12和光谱仪13，透过率随压力变化的光谱图如图5。
测试发现，在相同的压力条件下，波长越长，其透过率变化越大，响应灵敏度越高；波长越短，其透过率变化越小，响应灵敏度越低。
不同波长其透过率随压力的变化曲线为图6。
测试发现，在900nm波长处，其压力灵敏度响应绝对值为6.2％/kPa-1；在500nm波长处，其压力灵敏度响应绝对值为0.8％/kPa-1。
4、接近—接触觉协同感知
在本实施例中，传感器可以实时记录、区分并显示整个手指接近—接触—按压—离开等全事件过程。该过程涉及四个事件，分别为：裸手指接近(Event 1)，带指套手指接近(Event 2)，带指套手指接触(Event 3)和连续三个裸手指接触过程(Event 4)。
感知接近觉和感知接触觉的微纳光纤两端分别同白光光源和光谱仪连接，微纳光纤接近觉—接触觉传感器在不同事件中的透过率图如图7所示。图7上面的图是感知接近觉的微纳光纤的输出信号曲线，图7下面的图是感知接触觉的微纳光纤的输出信号曲线。
测试发现：在裸手指接近传感器并与传感器距离保持在0.5cm左右时，由于裸手指的相对湿度高至95％，湿度传感器的透过率明显降低，而压力传感器的透过率在接近过程中并没有发生改变(Event 1)；相反，当带指套的手指接近但未接触传感器时，由于带指套的湿空气被手套隔离，监测湿度和压力的传感器的透过率都未发生改变(Event 2)。当带指套的手指接触到传感器时，由于物理接触后使得微纳光纤发生形变，湿度和压力传感器对施加的湿度和压力做出快速响应(Event 3)。
对于一个裸手指接触传感器并施加压力时，湿度传感器和压力传感器的透过率都有明显的下降，随着施加压力的释放，压力传感器的透过率显著增加，同时，湿度传感器的透过率维持在较低水平。最后，当手指离开时，湿度和压力传感器在透过率方面都表现出良好的可逆性(Event 4)。表明，该传感器不仅可以识别接近和接触过程，还可以区别是裸手指接近还是带指套手指接近。
Claims (9)
1.一种基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器，其特征在于：包括柔性基底(1)、两根拉伸过的微纳光纤、隔离层(5)、柔性薄膜(7)，柔性基底(1)、隔离层(5)、柔性薄膜(7)依次层叠布置，柔性基底(1)和隔离层(5)之间布置有第一根微纳光纤，隔离层(5)和柔性薄膜(7)之间布置有第二根微纳光纤，两根微纳光纤均沿直线平行布置且第二根微纳光纤位于第一根微纳光纤的正上方。
2.根据权利要求1所述的基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器，其特征在于：两根微纳光纤均包括两端的未拉伸部分(2)、中间的腰区以及连接在两端的未拉伸部分(2)和中间的腰区之间的拉锥过渡区(3)。
3.根据权利要求(1)或者(2)所述的基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器，其特征在于：两根微纳光纤分别为感知接近觉的微纳光纤和感知接触觉的微纳光纤，感知接触觉的微纳光纤位于柔性基底(1)和隔离层(5)之间，感知接近觉的微纳光纤位于隔离层(5)和柔性薄膜(7)之间。
4.根据权利要求1所述的基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器，其特征在于：隔离层(5)和柔性薄膜(7)之间的感知接近觉的微纳光纤之上布置有湿度敏感层(8)，湿度敏感层(8)上方的柔性薄膜(7)处开设有湿度和压力工作窗口(9)。
5.根据权利要求3所述的基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器，其特征在于：感知接近觉的微纳光纤的腰区位于和感知接触觉的微纳光纤的腰区正上方，湿度敏感层(8)布置在感知接近觉的微纳光纤的腰区上面。
6.根据权利要求1所述的基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器，其特征在于：两根微纳光纤中的腰区直径不同，感知接近觉的微纳光纤的腰区(6)直径小于感知接触觉的微纳光纤的腰区(4)直径。
7.根据权利要求1所述的基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器，其特征在于：所述的两根微纳光纤的两端均分别连接白光光源和光谱仪。
8.根据权利要求1所述的基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器，其特征在于：所述的柔性基底(1)、隔离层(5)、柔性薄膜(7)采用相同材料，均采用折射率大于空气折射率、但小于微纳光纤折射率的材料。
9.根据权利要求8所述的基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器，其特征在于：所述的湿度敏感层材料除对湿度敏感之外，折射率需大于空气折射率、且小于微纳光纤折射率。
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