康納爾大學(xué)女博士研發(fā)可拉伸分布式光纖傳感器

病人見(jiàn)不到醫(yī)生，卻能通過(guò)一款可穿戴設(shè)備，讓醫(yī)生通過(guò)屏幕獲悉其相關(guān)數(shù)據(jù);球場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)員，戴上這款可穿戴設(shè)備，就能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)球員數(shù)據(jù)，教練就能針對(duì)性地訓(xùn)練球員;在家干活擰螺絲時(shí)，不知道怎么用力?戴上設(shè)備并連上電腦，電腦就能告知你用的力氣是大是小。

該設(shè)備是一款 3D 打印的柔軟手套，它演示了一種由彈性體光導(dǎo)平行組件構(gòu)成的傳感器，相關(guān)研究以《可拉伸的分布式光纖傳感器》為題發(fā)表在 Science 上，由正在康納爾大學(xué)讀博的白鶴丹和李碩研發(fā)。

27 歲的白鶴丹是該論文一作，她來(lái)自遼寧鞍山，自本科起便留學(xué)該校，本科時(shí)讀的雙專業(yè)：機(jī)械工程、運(yùn)籌學(xué)與信息工程，直博期間就讀于機(jī)械工程專業(yè)。

她告訴 DeepTech，手套只是一個(gè)演示，本次研究真正的創(chuàng)新點(diǎn)是光纖傳感。目前，業(yè)界所有柔性傳感器都存在共同的局限性，即只能輸出一種信號(hào)，但是傳感器會(huì)有多種形變，這樣一對(duì)多的關(guān)系會(huì)導(dǎo)致只根據(jù)一種信號(hào)，很難判斷出形變過(guò)程。

而基于二氧化硅的分布式光纖傳感器(DFOS，Distributed Fiber Optic Sensing)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在諸多場(chǎng)景，如檢測(cè)不可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中的壓力、振動(dòng)、加速度、溫度等。

在可拉伸 DFOS 系統(tǒng)中，白鶴丹設(shè)計(jì)了兩種彩色染料圖案，一種是連續(xù)梯度染料圖案，可獲得單模變形的連續(xù)空間分辨率，另一種是離散色塊圖案，它能用離散空間分辨率去測(cè)量和解耦多種變形模式。

為演示該系統(tǒng)的多功能性，白鶴丹主要采用離散色塊圖案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將其命名為可拉伸的多模態(tài)傳感光導(dǎo)板(SLIMS)。

如下圖所示，SLIMS 由兩個(gè)聚氨酯彈性體芯組成：分別是摻雜了吸收染料的染色芯、和一個(gè)不帶染料的透明芯。白色發(fā)光二極管的一端耦合到染色芯，另一端則放有兩個(gè)紅綠藍(lán)的傳感器芯片，其中一個(gè)傳感器芯片耦合到染色芯，另一個(gè)傳感器芯片耦合透明芯。通過(guò)觀察染色芯和透明芯的色度以及強(qiáng)度輸出，就能確定目標(biāo)物變形的位置、大小和模式。

安裝在染色芯上的白色發(fā)光二極管的視角為 110°，所以來(lái)自同一發(fā)光二極管的光線也可以進(jìn)入透明芯，透明芯中摻雜的染料可充當(dāng)顏色代碼，由于染料圖案的深度比染色芯低很多，因此很少有光線能以未變形形態(tài)穿過(guò)染料。當(dāng)光線未變形時(shí)，染色芯和透明芯均呈現(xiàn)出白色。

當(dāng)染色區(qū)域被拉伸時(shí)，該區(qū)域中的光路長(zhǎng)度增加，從而會(huì)引起染料更多的吸收，輸出的光也會(huì)隨著相應(yīng)顏色而變化。根據(jù)比爾 - 朗伯特定律( Beer-Lambert law)，由于拉伸會(huì)增加兩個(gè)核心的光路，因此兩個(gè)核心的光輸出強(qiáng)度都會(huì)降低。

如下圖所示，拉伸的多模態(tài)傳感光導(dǎo)板(SLIMS)的表征表明，隨著任何單個(gè)染色區(qū)域的拉伸，透明芯中無(wú)法再觀察到色度變化?；谌旧镜乃p，SLIMS 的應(yīng)變靈敏度在 150%的范圍內(nèi)落在 2 至 5 dBε-1 內(nèi)伸長(zhǎng)(其中 ε 為應(yīng)變)，并能以 0.5 毫米的預(yù)應(yīng)變獲得 0.1 毫米的分辨率。

而當(dāng)染色區(qū)域處于彎曲狀態(tài)時(shí)，染色芯中的大多數(shù)光線都能穿過(guò)染料，輸出顏色也會(huì)發(fā)生變化。某些不能滿足臨界角的彩色光線，會(huì)從染色芯中溢出并進(jìn)入透明芯中，但是這些光線無(wú)法耦合到透明芯，因此透明芯仍然輸出白光。

具體來(lái)說(shuō)，四個(gè)染色區(qū)域每一個(gè)都可彎曲到最大 κ= 0.65 cm-1 的曲率，白鶴丹測(cè)量了兩個(gè)芯的色度和強(qiáng)度響應(yīng)后發(fā)現(xiàn)，染色區(qū)域彎曲時(shí)的顏色響應(yīng)與拉伸響應(yīng)類似，透明芯輸出保持白色，而染色芯的輸出會(huì)朝著彎曲染料區(qū)域去改變顏色。

由于強(qiáng)度在彎曲中基本不受影響，但會(huì)在拉伸中明顯衰減，因此上述拉伸和彎曲的區(qū)別，可通過(guò)比較透明芯的強(qiáng)度輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)染色芯的衰減，SLIMS 的彎曲靈敏度為 7 至 24 dBcm-1。

用 3D 打印的柔軟手套來(lái)演示 SLIMS

為展示上述過(guò)程，白鶴丹把 SLIMS 集成到 3D 打印的柔軟手套中，手指的近端、中端和遠(yuǎn)端分別被離散的紅藍(lán)綠染料覆蓋，此外每個(gè)手指僅使用一個(gè)定制 SLIMS，該 SLIMS 可以同時(shí)捕獲三個(gè)手指關(guān)節(jié)的本體感覺(jué)、和外部按壓的外部感覺(jué)。

當(dāng)食指以不同關(guān)節(jié)角度組合彎曲時(shí)，白鶴丹開(kāi)始從透明芯、和染色芯中收集 RGB 強(qiáng)度的原始數(shù)據(jù)，當(dāng)食指近端或中端關(guān)節(jié)只有一個(gè)彎曲時(shí)，染色芯會(huì)立馬從白色變?yōu)榧t色或藍(lán)色，根據(jù)顏色變化就能確定關(guān)節(jié)彎曲位置和角度。

而當(dāng)多個(gè)關(guān)節(jié)折彎共存時(shí)，白鶴丹發(fā)現(xiàn)折彎區(qū)域開(kāi)始出現(xiàn)顏色混合，因此需要建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，來(lái)消除色度和強(qiáng)度響應(yīng)方面的差異。

如下圖所示，當(dāng)僅彎曲單個(gè)手指關(guān)節(jié)時(shí)，她先在 SLIMS 中測(cè)量染色芯的響應(yīng)，然后對(duì)所有三個(gè)關(guān)節(jié)重復(fù)上述測(cè)量。而為了分離強(qiáng)度響應(yīng)和色度響應(yīng)，白鶴丹將 RGB 強(qiáng)度輸出轉(zhuǎn)換為 CIE xyY 顏色空間，這樣便可實(shí)現(xiàn)手套實(shí)時(shí)執(zhí)行三個(gè)手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的解耦和重建。

對(duì)于同時(shí)進(jìn)行的外在感受，白鶴丹通過(guò)設(shè)置透明芯的歸一化強(qiáng)度輸出的閾值，來(lái)實(shí)現(xiàn)外部按壓與彎曲的解耦，在手指關(guān)節(jié)彎曲 0 至 10 s 的情況下，強(qiáng)度會(huì)略有衰減，當(dāng)在不同手指關(guān)節(jié)上按壓 SLIMS 10 至 30 s 時(shí)，透明芯就會(huì)跳躍。

基于此，她將此閾值設(shè)置在 0.75 到 1.0 的范圍內(nèi)，當(dāng)歸一化強(qiáng)度超過(guò)此范圍時(shí)，就能確定壓力的存在。

為了簡(jiǎn)化色度表示，她從透明核心輸出的 RGB 強(qiáng)度中提取了色相值，壓制期間施加的力氣大小，也與此色相值成定性比例，當(dāng)食指在多個(gè)位置彎曲時(shí)，就能實(shí)時(shí)重建外部壓力的位置和大小。

明年將有相關(guān)產(chǎn)品問(wèn)世

談及該研究的落地，白鶴丹表示她的導(dǎo)師 Robert F. Shepherd 教授已經(jīng)有一個(gè)創(chuàng)業(yè)公司，目前正在基于該研究研發(fā)產(chǎn)品，預(yù)計(jì)明年將推出相關(guān)產(chǎn)品。

除用手套檢測(cè)外界變化之外，他們還能把可拉伸 DFOS 系統(tǒng)縫到衣服上去監(jiān)測(cè)各種信號(hào)。

白鶴丹告訴 DeepTech，以體育數(shù)據(jù)分析為例，其在美國(guó)已經(jīng)是相對(duì)成熟的產(chǎn)業(yè)，有些球隊(duì)聯(lián)盟通過(guò)數(shù)據(jù)采集和分析來(lái)制定戰(zhàn)術(shù)，進(jìn)而提高球員訓(xùn)練水平。2011 年，有一部改編自紀(jì)實(shí)書的電影《點(diǎn)球成金》( Moneyball )， 講的是一個(gè)棒球隊(duì)用這種方式，用小成本連年贏得MLB(美國(guó)職業(yè)棒球大聯(lián)盟)冠軍的故事，這也算是美國(guó)體育數(shù)據(jù)分析產(chǎn)業(yè)的開(kāi)端。

但是現(xiàn)在大家更感興趣的是，如何獲取球員的數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)再聯(lián)系到球員的比賽表現(xiàn)，教練就可以實(shí)時(shí)地判斷誰(shuí)是好球員，以及球員在哪方面存在問(wèn)題，從而來(lái)制定個(gè)性化訓(xùn)練教程。

為保證產(chǎn)品可以真正滿足用戶需求，白鶴丹專門去采訪當(dāng)?shù)孛绹?guó)棒球聯(lián)盟的一百多位專業(yè)人士，去了解他們的訴求。期間她發(fā)現(xiàn)，教練和球員對(duì)他們的傳感器很感興趣，一直問(wèn)是否有相關(guān)產(chǎn)品。

目前，白鶴丹已完成康奈爾商業(yè)化獎(jiǎng)學(xué)金項(xiàng)目探索市場(chǎng)，希望借此將團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功產(chǎn)業(yè)化。明年她要去美國(guó)西北大學(xué)柔性電子領(lǐng)域領(lǐng)軍人物 John Rogers 組做柔性電子的博后研究，以后準(zhǔn)備做教職，同時(shí)希望能探索出未來(lái)實(shí)驗(yàn)成果產(chǎn)業(yè)化的可能性。對(duì)于這位 27 歲的博士五年級(jí)女孩來(lái)說(shuō)，她的路還有很長(zhǎng)很長(zhǎng)，未來(lái)也有無(wú)限可能。