[发明专利]阵列化光波导柔性触觉传感器的制备方法

说明书

阵列化光波导柔性触觉传感器的制备方法，触觉传感器包括依次胶接的柔性光波导触觉敏感层、柔性电路层和柔性衬底层。柔性光波导触觉敏感层包括若干条呈阵列式分布的光波导内芯，以及整体式包覆光波导内芯的光波导包层。柔性电路层包括发光供电端和光信号接收处理端，发光供电端产生光信号，光信号经光波导传输至光信号接收处理端，被光信号接收处理端转变为电信号，并以无线信号方式发送出去。柔性衬底层由柔性材料制成，起保护与辅助固定作用。本发明的触觉传感器可用于触觉信息采集与处理，具有柔顺性高、灵敏度高、空间分辨密度高等优点。结构简单，功耗低，与待测环境集成方便，且在传感面积增加时具有数据代价低的优势。

技术领域

本发明属于柔性触觉传感器及软体机器人技术领域，具体涉及一种阵列化光波导柔性触觉传感器及其制备方法和应用。

背景技术

触觉传感器通常用于采集力、形状、压强等触觉信息，在机器人、可穿戴设备、虚拟现实、智能假肢、人机交互等领域具有广泛应用。传统的触觉传感器往往通过硅基的半导体技术或MEMS(Microelectro Mechanical Systems，微机电系统)技术制备而成，多为刚性，采用布置在关节或其他关心位置的布局来测量或计算交互过程中的触觉信息。但对比触觉的生物对照本体皮肤，通过这样方式采集到的信息往往是离散的、单点式的，获取的触觉信息是不全面的。可能各种不同的刺激，表现在集中的触觉传感器处的信息却是相同的。这显然与真实的触觉信息本身空间密度高、连续分布面积大的特点是不相符的。当前离散式刚性的触觉传感器限制了采集更复杂触觉交互信息的可能性。

在刚性的触觉传感器的研究基础之上，结合软体机器人技术，研究者们提出了使用柔性触觉传感器作为解决方案。为采集连续的高密度触觉信息，使用柔性材料具有一定优势：首先，柔性材料可以变有限的敏感节点为接近无穷多个，从而获取更加全面的触觉信息。其次，柔性材料可以把力的交互变为材料的大变形，从而具有实现更高灵敏度的潜力。以及，柔性材料在交互安全防护方面具有一定的减震缓冲作用。

为实现柔性触觉传感器中最重要的柔性敏感单元，现有的柔性传感器采用了电阻式、压阻式、压电式、电容式、电磁式等原理将触觉信息转化为输出的电信号。并使用液态金属、导电水凝胶、碳纳米管、岛桥电路等材料或策略来保持传感器的柔性。但不同的工作原理和材料均在灵敏度、工作环境、处理电路等方面存在一定的缺陷。例如，常见的电容式柔性触觉传感器往往不同敏感节点之间存在串扰，需设计专门的读取策略与电路。电磁式柔性触觉传感器很好地解决了传感器去除拖缆的问题，但同时引入了专业检测环境的需求，使得集成的易用性降低，应用场景变少。液态金属能够随软体基材保持随动性，通过电阻值的变化来反映触觉信息，但具有封装难度高以及易泄露的缺点，同时静态工作零点可能在随着形变不断变化。同时，不同触觉传感器都难以回避的一个问题是随着感知面积不断提高、敏感节点不断增多，所需处理的数据量也在呈几何式增长，这给处理电路提出了很大的挑战，为触觉传感器的大规模阵列化带来阻力。

综上所述，在柔性触觉传感器领域，依然需要具有灵敏度高、空间分辨率高、无线、易于移植集成、数据处理代价低等优势的传感器解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阵列化光波导柔性触觉传感器及其制备方法和应用。本发明公开的柔性触觉传感器具有检测面内接触力大小、接触力方向、接触力空间分布形式、接触力时序变化等触觉信息的功能，具有柔性高、灵敏度高、空间分辨率高、响应速度快、无线等优点。系统结构简单，成本低，功耗低，与待测环境集成方便，且在大面积的触觉信息采集中具有数据代价低的优势。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了阵列化光波导柔性触觉传感器的其制备方法，包括以下步骤：