01???導讀

多參量柔性觸覺傳感器在智能機器人、自然人機交互和健康醫療等領域具有廣闊應用前景。

該論文報道了一種可同時監測溫度和壓力的柔性微納光纖觸覺傳感器。

通過理論計算和精確控制微納光纖的直徑，將監測溫度的高階模截止波長調控至短波區域，實現了溫度和壓力信號的低串擾感知，并且展示了同時測量人體脈搏和體溫的能力。

該傳感器結構簡單、性能優良，在醫療健康和人工智能領域中具有廣闊的應用前景。



封面圖：基于微納光纖的溫度、壓力同時測量觸覺傳感器

02??研究背景

柔性觸覺傳感器已在智能機器人、自然人機交互和健康醫療等多個前沿領域展現出巨大的應用前景。人體皮膚根據響應對象的不同可將觸覺受體分為：響應機械刺激的機械敏感受體（感知壓力、振動、輕觸等）、響應溫度和熱刺激的溫度敏感受體、以及響應疼痛和損傷的觸覺感受器。因此，如何滿足多參量信號準確獲取，是實現類人觸覺感知的關鍵問題，也是國內外研究的熱點。

由于光可以通過波長、強度、偏振等參數攜帶信息，且光子之間相互作用小，攜帶不同信息的光可以同時在一根波導中互不干擾地傳輸，使得光學傳感器在實現多參量觸覺感知方面更具潛力。但是，研究具有柔性好、靈敏度高且穩定性強的光學多參量觸覺傳感器，仍是一個巨大挑戰。 ?

03???創新研究

3.1?微納光纖觸覺傳感器的結構

微納光纖是近年來發展起來的直徑接近或小于光波長的一種新型光波導，其直徑可比普通光纖小2-3個數量級，具有尺寸小、光場約束能力強、倏逝場比例大、彎曲半徑小和損耗低等特點。

本研究提出一種基于微納光纖的溫度和壓力雙參量觸覺傳感器，利用微納光纖的高階模模式截止和微彎輻射隧穿原理，實現了對溫度和壓力信號的同時測量。

圖2為該觸覺傳感器的結構以及感知原理圖。通過調控微納光纖直徑，將高階模式的截止波長調控至短波區域，利用短波區域內高階模截止波長隨溫度變化而改變和長波區域內光強隨壓力增加而減小的特性，可實現溫度和壓力信號的同時測量。

利用不同的波長范圍監測溫度和壓力信號，使得信號間地低串擾測量成為可能。

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圖2?微納光纖觸覺傳感器的結構以及感知原理圖

3.2?微納光纖觸覺傳感器的溫度響應性能

理論計算確定微納光纖的直徑為2 μm（圖3a）。PDMS材料相較SiO2材料而言具有更大的熱光系數，由此微納光纖的高階模截止波長隨溫度升高而發生紅移，如圖3b所示。

得益于PDMS材料高的熱光系數，微納光纖觸覺傳感器表現出靈敏度高等性能優勢（靈敏度1.2 nm/°C），同時，該傳感器對溫度響應表現出良好的重復性（圖3d）。



圖3?微納光纖觸覺傳感器的溫度響應特性

3.3?微納光纖觸覺傳感器的壓力響應性能

如圖4a，b所示，當溫度恒定時，用于感知溫度的高階模截止波長并未隨壓力增加而發生明顯變化，僅是強度發生變化。但是，長波范圍的光強信號隨著壓力的增加，光強發生與波長相關的顯著變化。

因此，我們采用長波范圍的光強信號用于壓力傳感。在不同的波長下，該傳感器表現出不同的壓力響應靈敏度（圖4c）。

此外，該傳感器還具有對靜態壓力響應的良好重復性（圖4d）和對動態壓力的快速響應（圖4e, f）。



圖4 微納光纖觸覺傳感器的壓力響應性能

3.4 醫療健康監測的應用

動脈脈搏波形監測是一種安全、無創心血管問題分析方法，因為冷熱變化會影響血液血管舒張和血管收縮，所以皮膚溫度變化會影響動脈脈沖波形。

因此，為了實現對脈搏波形的準確分析，有必要在進行脈搏測量的同時監測皮膚溫度。我們利用該傳感器實現了皮膚溫度和腕部脈搏的實時監測，為準確獲得脈搏波和相關血流動力學信息提供了一種新的方式。



圖5 微納光纖觸覺傳感器應用





審核編輯：劉清