CN117451228A - 模拟指尖皮肤微结构的mnf柔性触觉传感系统及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统及制造方法。所述系统包括：感知层，用于感知时空触觉刺激，包括微纳光纤和聚二甲基硅氧烷封装结构；顶层弹性环形脊层，背离感知层的一侧设置有环形脊结构；底层弹性环形脊层，与感知层接触的一侧设置有环形脊结构；感知层被夹持固定于顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层之间；环形脊结构包括若干个直径不同且同心设置的、向上凸起的环形脊；顶层弹性环形脊层上的环形脊与底层弹性环形脊层的环形脊错峰设置，形成互锁微结构。本发明通过顶层弹性环形脊层、感知层和底层弹性环形脊层形成的仿生微结构设计，从而能够兼顾提高触觉传感的触感灵敏度和传感范围，并更好的保护MNF。

Description

模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统及制造方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统及制造方法。
背景技术
仿生柔性触觉传感器能够更好地模拟人类的触觉感知，可感知和量化触觉刺激，例如应力、硬度和表面纹理，实现精准、快速和灵活的感知等，从而能够提高机器人的感知和应对能力，近年来得到了快速的发展。基于电传感方案的柔性触觉传感器，包括电容、电阻、压电和摩擦电机制等在过去十年中已得到广泛报道，这些电子触觉传感器通常模拟人类皮肤中精细触觉的生物特征，例如表皮-真皮界面、感觉受体、指纹模式和传入神经元中的离子刺激等。
现有技术中，在电子触觉传感器中也尝试了多模传感能力和其他特殊特性，如自愈、自供电、能量收集、刺激可视化到环境适应，但它们仍然存在一些缺陷，包括制造成本高、寄生效应、电路复杂、信号串扰等，可能会限制其在机器人中的实际应用。
基于光学传感方案的柔性触觉传感器是一种很有前途的方法，其中微纳光纤(MNF)具有尺寸小、柔韧性强、灵敏度高、抗电磁干扰、易于制作等优点，在柔性触觉传感领域拥有独特的优势。近年来，现有技术中研发了若干类型的微纳触觉传感器，实现在应力、应变、滑动、物体硬度的单参数检测以及应力-温度、应力-湿度的双模态检测，并进一步探究在人机交互和生理参数检测方面的应用，包括手势识别、脉搏波检测等。
目前，基于微纳光纤的柔性触觉传感器多采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)单一材料封装MNF，这导致传感范围和触感灵敏度无法兼顾，并且存在封装结构容易磨损而造成MNF的损坏问题。因此，如何兼顾提高触觉传感的触感灵敏度和传感范围，并更好的保护MNF是亟需解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统，通过顶层弹性环形脊层、感知层和底层弹性环形脊层形成的仿生微结构设计，从而能够兼顾提高触觉传感的触感灵敏度和传感范围，并更好的保护MNF，此外能够有效地检测静压、动压、振动等机械刺激，进而提高FIMF传感器的感知性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统，包括：
感知层，用于感知时空触觉刺激；
感知层包括用于将感知的时空触觉刺激转换为透射光输出强度变化形式的微纳光纤，以及用于封装微纳光纤的聚二甲基硅氧烷封装结构；
顶层弹性环形脊层，设置于感知层用于感知时空触觉刺激的一侧，且背离感知层的一侧设置有环形脊结构；
底层弹性环形脊层，设置于感知层背离顶层弹性环形脊层的一侧，且与感知层接触的一侧设置有环形脊结构；
感知层被夹持固定于顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层之间；
环形脊结构包括若干个直径不同且同心设置的、向上凸起的环形脊；
顶层弹性环形脊层上的环形脊与底层弹性环形脊层的环形脊错峰设置，使得顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层的环形脊结构能够形成互锁微结构。
优选的，感知层的微纳光纤为利用单模光纤熔融拉锥得到的非绝热锥形结构的微纳光纤。
优选的，感知层的微纳光纤的直径为1μm-10μm，腰锥长为100μm-2200μm。
优选的，聚二甲基硅氧烷封装结构包括平行设置的上、下两层聚二甲基硅氧烷薄膜层，微纳光纤被夹持封装于上、下两层聚二甲基硅氧烷薄膜层之间。
优选的，上、下两层聚二甲基硅氧烷薄膜层的厚度为10μm-100μm。
优选的，顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层上凸起的环形脊结构均是一体成型的。
优选的，顶层弹性环形脊层的厚度为0.2mm-0.4mm；底层弹性环形脊层的厚度为0.3mm-0.5mm。
优选的，顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层上的环形脊结构中最大环形脊的直径为10mm-14mm，环形脊间距为0.3mm-0.7mm，环形脊厚度为0.1mm-0.3mm，环形脊宽度为0.4mm-0.6mm。
本发明还公开了一种MNF柔性触觉传感系统的制造方法，包括：
S1：制备微纳光纤；
S2：将制备好的微纳光纤弯曲成弯曲半径为0.3mm-0.5mm的U形结构；
S3：通过上、下两层聚二甲基硅氧烷薄膜层夹持封装微纳光纤，得到感知层；
S4：制备具有凸起的环形脊结构的顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层；其中顶层弹性环形脊层上的环形脊与底层弹性环形脊层的环形脊错峰设置，使得顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层的环形脊结构能够形成互锁微结构；
S5：将感知层夹持固定于顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层之间，得到MNF柔性触觉传感系统。
优选的，利用单模光纤熔融拉锥得到非绝热锥形结构的微纳光纤；
具体的：首先将单模光纤剥去涂覆层，并用酒精擦拭；然后将处理后的单模光纤放入光纤熔接机进行放电操作，得到直径为60μm-80μm的锥形光纤结构；最后采用火焰熔融拉锥法通过光纤拉锥机对锥形光纤结构进行拉伸，得到非绝热锥形结构的微纳光纤。
本发明中模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明的MNF柔性触觉传感系统(FIMF)包括从上至下依次复合的三层结构，即顶层弹性环形脊层、感知层和底层弹性环形脊层。其中顶层弹性环形脊层能够模拟人类指尖的指纹结构，有效增强表面粗糙度以及强化FIMF对滑动/摩擦引起的机械刺激的检测能力，从而提高FIMF的触感灵敏度。中间的感知层通过微纳光纤(MNF)将感知的时空触觉刺激转换为透射光输出强度变化形式实现感知，同时聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装结构中PDMS材料的低杨氏模量、生物相容性以及优异的光学性，使得封装结构能够保护微纳光纤，增强机械刺激，从而进一步提高FIMF的灵敏度并降低干扰。底层弹性环形脊层的环形脊结构与底层弹性环形脊层的环形脊结构错峰设置，使得顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层的环形脊结构能够形成互锁微结构，该互锁微结构能够更好的模拟指尖皮肤中的表皮/真皮互锁微结构，进而更有效的放大触觉刺激，从而提高FIMF的传感范围。
综上所述，本发明通过顶层弹性环形脊层、感知层和底层弹性环形脊层形成的仿生微结构设计，能够兼顾提高触觉传感的触感灵敏度和传感范围，并且顶层和底层的弹性环形脊层能够更好的保护MNF。同时通过MNF将感知的时空触觉刺激转换为透射光输出强度变化形式，使得感知的触觉刺激(如压力和振动)被转换为光学微纤维的变形弯曲，能够将导模倏逝场能量变化表现在输出光强度的变化上，从而能够更有效地检测静压、动压、振动等机械刺激，进而提高FIMF传感器的感知性能。此外弹性树脂具备柔韧性以及高效、精度高和可定制化，两层弹性树脂环形脊结构能够更好的模拟人类指尖的指纹结构，从而有效的增强表面粗糙度以及强化对滑动/摩擦引起的机械刺激的检测能力。
通过实验证明，本发明的MNF柔性触觉传感系统(FIMF)与现有传感器相比，具有更宽的压力响应范围宽(0-16N)，在低触压范围(0-2N)内能够获得更高的灵敏度(20.58％N-1)，响应时间更短(86ms)、实用寿命更长、制造成本更低等优点。
通过将FIMF传感器直接连接到机器人机械手上进行演示发现，FIMF传感器能够区分软硬物体、感知物体纹理、测量夹持力等，该传感器适用于机器人夹持操作，即这种新型柔性触觉传感器具有与手指皮肤相似的结构和功能特征，在仿生人工皮肤和先进机器人技术中具有潜在的应用前景。
通过按压行程与FIMF透射光强反馈相结合用于感知物体硬度，以及依据FIMF响应震荡波形感知物体纹理，研究了压力、滑动速度对FIMF纹理感知的影响。实验证明了FIMF传感器在物体硬度/粗糙度感知的可行性和普遍适用性。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为人体手指皮肤的结构示意图；
图2为MNF柔性触觉传感系统(FIMF)的结构示意图；
图3为MNF柔性触觉传感系统(FIMF)的侧面剖视图；
图4为传感器各层厚度对性能的影响:(a)PDMS厚度对应力的影响；(b)弹性环形脊层对应力的影响。
图5为传感器力学响应:(a)微纳光纤所在平面形变分布；(b)不同情况下应力分布；(c)手指按压滑动下的传感器输出响应；
图6为双模干涉式MNF结构示意；
图7为微纳光纤:(a)当波长为1550nm时，HE11、HE12模式的有效折射率与MNF直径的变化；(b)直径为10μm、5μm和2.3μm的MNF模拟光谱；(c)不同直径MNF的FSR在1550nm附近的变化；
图8为传感器实物图:(a)直径为5μm的MNF显微镜图；(b)FIMF实物图；(c)封装前后透射光谱；
图9为力学性能对比和标定:(a)力学性能测试实验系统图；(b)不同结构封装的传感器对比；(c)FIMF压力光谱响应；(d)FIMF灵敏度；(e)重复性；(f)响应/恢复时间；
图10为力学性能测试:(a)递增压力响应曲线；(b)重复性测试；(c)1N压力下不同频率传感器响应；(d)0.5HZ下不同压力传感器响应；
图11为硬度感知:(a)实验系统图；(b)3个循环的硬度变化与透射强度的关系；(c)单次循环的强度变化与硬度变化的关系；(d)30次循环的硬度与透射强度的关系；(e)FIMF集成到机械手；(f)使用集成有FIMF的机械手抓握不同物体时的强度变化波形；
图12为纹理感知:(a)实验系统示意图；(b)理间距为4mm的测试物；(c)接触扫描的响应波形；(d)不同压力下扫描的响应波形；(e)50mm/s、100mm/s扫描速度下的响应波形
图13为不同扫描速度:(a)响应波形；(b)FFT变换的频谱图；(c)FFT变换的时频图
图14为不同纹理测试物:(a)纹理间距为1mm、0.5mm测试物实物图；(b)响应波形；(c)FFT变换的时频图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件能够以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。例如“水平”仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例一：
申请人发现，人体指尖皮肤是一种特殊的皮肤类型，具有高度的触觉灵敏度，能够感知和区分静态和动态力、摩擦、振动等各种时空触觉刺激的能力，并能识别压力/滑动，感知所抓物体的形状、硬度和纹理。如图1所示，人体指尖皮肤拥有多层结构，包括表皮和真皮以及皮下组织。其中表皮层和真皮层之间的互锁微结构可以放大并有效地将触觉刺激转移到皮肤机械感受器。高弹性模量的表皮最外层为皮肤提供韧性，其上表面的指纹微结构增强了摩擦力，并增强摩擦引起的振动，有利于指尖操作和纹理感知。其中真皮下层含有低弹性模量胶原蛋白，缓慢适应的受体(例如Merkel和Ruffini小体)对皮肤上持续的触摸和压力做出反应，而快速适应的受体(例如Meissner和Pacinian小体)对动态触摸和振动刺激做出反应，它们以频率编码动作电位的形式通过神经纤维感知和传递触觉刺激。由于感觉感受器和神经纤维具有类似于带通滤波器的刺激特异性传感行为，由滑动和摩擦引起的振动信息被编码为频率时间相关的触觉信息，并被皮肤精细的感知。
受人类指尖皮肤独特的生物微结构和触觉传导机制的启发，本申请提出了一种具有指纹结构和互锁微结构的MNF柔性触觉传感系统(后续也称为FIMF)。
具体的，本实施例中公开了一种模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统。
如图2所示，模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统，包括：
感知层，用于感知时空触觉刺激；
感知层包括用于将感知的时空触觉刺激转换为透射光输出强度变化形式的微纳光纤(后续也称为MNF)，以及用于封装微纳光纤的聚二甲基硅氧烷(后续也称为PDMS)封装结构；
本实施例中，微纳光纤(MNF)的输出与后端处理电路连接，包括微型化光电探测电路以及数据处理电路。
顶层弹性环形脊层，设置于感知层用于感知时空触觉刺激的一侧，且背离感知层的一侧设置有环形脊结构；
底层弹性环形脊层，设置于感知层背离顶层弹性环形脊层的一侧，且与感知层接触的一侧设置有环形脊结构；
感知层被夹持固定于顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层之间；
环形脊结构包括若干个直径不同且同心设置的、向上凸起的环形脊；
顶层弹性环形脊层上的环形脊与底层弹性环形脊层的环形脊错峰设置，使得顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层的环形脊结构能够形成互锁微结构。
结合图3所示，环形脊的错峰设置是指：顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层与感知层复合在一起之后，底层弹性环形脊层的环形脊与顶层弹性环形脊层的环形脊是错开、不对应设置的，即底层弹性环形脊层上有环形脊的位置对应于顶层弹性环形脊层上没有环形脊的位置，相应的，顶层弹性环形脊层上有环形脊的位置对应于底层弹性环形脊层上没有环形脊的位置。
本发明的MNF柔性触觉传感系统(FIMF)包括从上至下依次复合的三层结构，即顶层弹性环形脊层、感知层和底层弹性环形脊层。其中顶层弹性环形脊层能够模拟人类指尖的指纹结构，有效增强表面粗糙度以及强化FIMF对滑动/摩擦引起的机械刺激的检测能力，从而提高FIMF的触感灵敏度。中间的感知层通过微纳光纤(MNF)将感知的时空触觉刺激转换为透射光输出强度变化形式实现感知，同时聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装结构中PDMS材料的低杨氏模量、生物相容性以及优异的光学性，使得封装结构能够保护微纳光纤，增强机械刺激，从而进一步提高FIMF的灵敏度并降低干扰。底层弹性环形脊层的环形脊结构与底层弹性环形脊层的环形脊结构错峰设置，使得顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层的环形脊结构能够形成互锁微结构，该互锁微结构能够更好的模拟指尖皮肤中的表皮/真皮互锁微结构，进而更有效的放大触觉刺激，从而提高FIMF的传感范围。
综上所述，本发明通过顶层弹性环形脊层、感知层和底层弹性环形脊层形成的仿生微结构设计，能够兼顾提高触觉传感的触感灵敏度和传感范围，并且顶层和底层的弹性环形脊层能够更好的保护MNF。同时通过MNF将感知的时空触觉刺激转换为透射光输出强度变化形式，使得感知的触觉刺激(如压力和振动)被转换为光学微纤维的变形弯曲，能够将导模倏逝场能量变化表现在输出光强度的变化上，从而能够更有效地检测静压、动压、振动等机械刺激，进而提高FIMF传感器的感知性能。此外弹性树脂具备柔韧性以及高效、精度高和可定制化，两层弹性树脂环形脊结构能够更好的模拟人类指尖的指纹结构，从而有效的增强表面粗糙度以及强化对滑动/摩擦引起的机械刺激的检测能力。
通过实验证明，本发明的MNF柔性触觉传感系统(FIMF)与现有传感器相比，具有更宽的压力响应范围宽(0-16N)，在低触压范围(0-2N)内能够获得更高的灵敏度(20.58％N-1)，响应时间更短(86ms)、实用寿命更长、制造成本更低等优点。
通过将FIMF传感器直接连接到机器人机械手上进行演示发现，FIMF传感器能够区分软硬物体、感知物体纹理、测量夹持力等，该传感器适用于机器人夹持操作，即这种新型柔性触觉传感器具有与手指皮肤相似的结构和功能特征，在仿生人工皮肤和先进机器人技术中具有潜在的应用前景。
通过按压行程与FIMF透射光强反馈相结合用于感知物体硬度，以及依据FIMF响应震荡波形感知物体纹理，研究了压力、滑动速度对FIMF纹理感知的影响。实验证明了FIMF传感器在物体硬度/粗糙度感知的可行性和普遍适用性。
一、传感系统力学仿真
1、为进一步研究FIMF的传感特性并优化传感性能，使用有限元软件COMSOL对FIMF触觉传感器进行参数化建模以及力学仿真。仿真参数如下：弹性树脂为超弹性材料，仿真采用Mooney-Rivlin双参数超弹性模型，其中C10＝3.7*105pa，C01＝1.1*105pa，体积模量K＝1*107pa，密度ρ＝1.1*104kg/m3，所制备的微纳光纤直径在10μm以下，相对于各个层级的尺寸来说小一个数量级，所以仿真的模型不包括微纳光纤本身。
具体的，聚二甲基硅氧烷封装结构包括平行设置的上、下两层聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜层，微纳光纤被夹持封装于上、下两层聚二甲基硅氧烷薄膜层(后续也称为PDMS薄膜层)之间。
考虑封装结构中上下两层PDMS薄膜层厚度对FIMF性能的影响，分别设置两层PDMS薄膜层的厚度范围为0-1mm，其中PDMS接触层为MNF所在的平面，以其平均受力的大小表征MNF的应力情况。仿真结果如图4(a)所示，可见上层PDMS接触层从0-1mm厚度依次增加的情况下MNF平面平均受力呈递减趋势，意味着上层PDMS接触层越薄时MNF所在平面处应力越大，而下层PDMS接触层在0-1mm的厚度下对MNF平面平均受力影响较小，结果表明采用PDMS接触层封装MNF时，覆盖层厚度越薄其灵敏度越高。
其次，分别设置两层弹性环形脊层的厚度0.1-1mm，仿真结果如图4(b)所示，可见底层弹性环形脊层厚度在0.1-0.2mm时，MNF所在层的平均应力呈递增趋势，0.2-0.55mm递减，0.55-1mm递增；而顶层弹性环形脊层厚度越薄应力越大，因此可通过调节封装结构的不同特征尺寸组合以应用于不同触感应力场合。但考虑到互锁结构是为了提高MNF的应变弯曲能力，而顶层弹性环形脊层是为了提高FIMF对滑动摩擦的增敏作用，故而顶层弹性环形脊层的引入是必要的。
本申请中的PDMS薄膜厚度为10μm-100μm(本实施例中的最数值为50μm)、顶层弹性环形脊层厚度为0.2mm-0.4mm(本实施例中的最数值为0.2mm)，底层弹性环形脊层厚度为0.3mm-0.5mm(本实施例中的最数值为0.4mm)。
2、在仿真中对FIMF施加1N法向力，结果如图5(a)所示，MNF所在的感知层会出现小幅度多尺度弯曲形变，这表明了互锁的结构能够引入更多的微弯曲，随着法向力的增加弯曲程度呈现递增趋势，从而导致MNF随着力的增加而产生更加剧烈的弯曲，这将会表现在透射强度的变化上。其中，图5(b)是在1N法向力和0.5N切向力下的仿真，在施加压力(Fz＝1N)的情况下，最大应力位于环行脊的下方。另一方面，通过施加摩擦力(Fz＝1N，Fx＝0.5N)，最大应力的位置从环行脊区域移动，最大应力的大小也增加了。
有限元模拟结果表明，在上述两种情况下，应力分布的变化将导致FIMF的输出响应不同。进一步进行一个初步实验，其中一个成年人用食指反复扫描和按压传感器表面。如图5(c)所示，手指按压(压力≈0.8N)产生的三角波波形，平均强度变化为18％，而手指扫描(滑动摩擦力≈1N)产生的突发性脉冲，平均强度变化为82％，说明本申请的MNF柔性触觉传感系统对摩擦/滑移具有更高的敏感性。
二、传感系统制备
具体实施过程中，感知层的微纳光纤为利用单模光纤熔融拉锥得到的非绝热锥形结构的微纳光纤。
1、利用单模光纤熔融拉锥可以得到非绝热锥形结构的MNF，以往的研究表明，当MNF直径小于12μm时，模式干涉主要发生在HE11和HE12模式之间。图6为双模干涉式MNF结构示意图，双模干涉式MNF的光谱强度可表示为：
式中：其中，I11和I12分别为HE11和HE12模式的光强，Δneff为两模式间的有效折射率之差，λ为波长，L为干涉长度；
相位差变化Δφ表示为：
式中：ΔL为MNF的长度变化，Δ(Δneff)为模式间有效折射率之差的变化。
模式有效折射率通过微纳光纤的色散方程求得：
式中：J1为一阶第一类贝塞尔函数，K1为一阶第二类修正贝塞尔函数，nMF和nair分别是微纳光纤和空气的折射率，β是HE1m模式的传播常数，k0是波数，d是MNF腰区直径。
在1550nm波长下HE11、HE12模式的有效折射率与MNF直径呈正相关(如图7(a)所示)，通过模拟不同直径(如图7(b)所述)的MNF的光谱，探究干涉峰在1550nm附近的自由光谱范围(FSR)变化规律，由图7(c)可知，当MNF直径为3-10μm时，FSR与直径正相关，当MNF直径为2.2-2.5μm时，FSR与直径负相关。
因此在制作MNF的过程中，我们可以通过干涉谱的FSR来估计MNF的直径。
2、FIMF制作流程：将单模光纤剥去涂覆层用酒精擦拭干净，将其放入光纤熔接机，设置放电量105bit，放电时间2000ms，放电次数2次，进行放电操作，得到直径为70μm的锥形结构。再采用火焰熔融拉锥的方法，通过，光纤拉锥机进一步制作得到非绝热突变锥，光纤拉锥机的氢气流速设置为225sccm，预绘制速度为120μm/s，预拉制长度为10000μm。所制作的MNF直径为5μm，腰锥长为2200μm的MNF显微镜图像如图8(a)所示，制备的MNF表面光滑，柔韧性好，在弯曲条件下能有效导光。
为了进一步提高FIMF的感知面积以及简化传感器的进出结构，提高集成简洁度，将制备完成的MNF利用PDMS棒预弯曲成弯曲半径为4mm的U形结构，然后用两层厚度为50μm的PDMS薄膜夹持MNF，再将其放入干燥箱中在80℃温度下固化20分钟，得到最终的感知层。
随后利用3D打印技术通过弹性树脂材料制备仿指尖皮肤微结构的上下两层弹性环形脊层，顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层上的环形脊结构中最大环形脊的直径为10mm-14mm(本实施例中的最数值为12mm)，环形脊间距为0.3mm-0.7mm(本实施例中的最数值为0.5mm)，环形脊厚度为0.1mm-0.3mm(本实施例中的最数值为0.2mm)，环形脊宽度为0.4mm-0.6mm(本实施例中的最数值为0.5mm)，与成人指纹脊线(距离:0.4-0.5mm，厚度0.2mm)相当。需要说明的是，顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层上凸起的环形脊结构均是通过3D打印技术一体成型的。
最后通过在弹性树脂层插入RTV胶，将两层弹性环形脊层与软感知(PDMS)层牢固地组装在一起制备成FIMF触觉传感器(如图8(b)所示)，从而保证了不同层之间的强附着力，增强了夹式传感器的机械鲁棒性。
封装前后直径为5μm的MNF透射光谱变化如图8(c)所示，可见封装之后MNF的周期性光谱几乎变成了直线，这是由于PDMS薄膜层的折射率很高，改变了MNF的导波模式结构，从而使得双模干涉现象消失。
三、为了更好的说明本发明设计的MNF柔性触觉传感系统(FIMF)的优势，本实施例中公开了如下实验。
1、力学性能实验及分析
如图9(a)所示，在设计的FIMF触觉传感力学性能测试系统中，由宽带光源(ASE，CONOUER，C-L)提供光信号，经过可调谐滤波器(OTF，Santec，1530-1570nm)到达传感测试光纤，将1550nm的光信号与MNF耦合；通过精密测力仪(MPT，Mark-10 ESM303)提供静态压力以及动态压力信号，负载力学信号的光经过光电探测器(PD，CONOUER，200kHz)转换为由示波器输出信号，实时监测其透射光强。
通过制备三种不同结构封装的MNF传感器(包括仅PDMS薄膜封装、顶层弹性环形脊层加PDMS薄膜封装、互锁微结构加PDMS薄膜封装)，实验对比研究FIMF结构各部分对于传感器性能的影响。实验结果如图9(b)所示，可见在顶层弹性环形脊层加PDMS封装MNF时，力学检测范围同比FIMF相当但对应的灵敏度更低，仅PDMS薄膜封装时，获得更高灵敏度而传感范围较低，引入仿指尖微结构拓展了检测范围、提高了灵敏度。图9(c)显示了在不同压力(0-16N，步进1N)下得到的透射光谱，从中可以看出随着压力的增加，透射光的强度逐渐降低。这是由于压力的增加，导致MNF弯曲程度的变大，其导模向辐射模的过渡发生了能量泄露。图9(d)为在1550nm波长下，相对强度变化(ΔI/I0，I0为无压力下的初始输出强度)随施加法向力的变化，可见在0-2N范围内传感器的压力灵敏度为20.58％N-1，在2-8N范围内5.63％N-1，在8-16N范围内为2.54％N-1。在不同的压力范围内灵敏度差异可归因于大的施力导致顶部环行脊被压缩，增加了传感器表面与物体的有效接触面积，其次是因为过大的力导致MNF过度弯曲，因此，大力(8-10N)下的强度变化远比小力(0-2N)下的强度变化要小。此外，根据压强计算公式P＝F/s，其中P为物体单位面积上受到的压力(Pa)，F为垂直于物体的压力(N)，s为被测物体与压力的接触面积(N/m2)。FIMF传感器可检测压力范围为0-16N，压强范围为0-141kPa。图9(e)展示了重复制备的三个FIMF对于压力的响应曲线，其相关系数均接近1，曲线重合程度较高，重复制备的压力响应具有一致性。FIMF对外部加载和卸载都显示出即时响应，如图8(c)所示，响应和恢复时间低于100ms，使传感器能够及时感知机械刺激。
表1将设计的FIMF与其他MNF触压觉传感器进行了比较，从结果可以看出，在没有微结构情况下，NMF传感器(参考李玉洁,罗彬彬,邹雪,等.基于双螺旋微纳光纤耦合器的光学游标传感特性研究)获得极高的灵敏度，但受限于传感范围不太适应于机械手的日常抓取任务(0-10N)，当引入平行脊(参考Jiang C P,Zhang Z,Pan J,et al.Finger-skin-inspired flexible optical sensor for force sensing and slip detection inrobotic grasping)微结构能够有效提高MNF的压力传感范围(0-20N)，但在小的触压范围(0-2N)的灵敏度先对较低。本工作中提出的FIMF传感器通过引入互锁仿生环形微结构，在拓展传感范围的基础上有效提高了小的触压范围(0-2N)的灵敏度，是最近报道的MNF触压传感器(参考Jiang C P,Zhang Z,Pan J,et al.Finger-skin-inspired flexibleoptical sensor for force sensing and slip detection in robotic grasping)的4倍左右。此外，由于微结构的引入，能够有效放大触觉机械刺激并转化为MNF的形变，不需要将MNF拉锥到2μm以下，这简化了MNF的拉锥工艺和制备难度，并增强了结构的总体韧性。所设计的FIMF在机器人抓取任务中拥有巨大应用潜力。
表1与其他微纳光纤触压觉传感器的性能比较
依次对FIMF递增压力值，光透射强度逐渐降低，表现出稳定和连续的波动(如图10(a)所示)。在加载-卸载循环测试中，传感器的光信号在1000次循环后仍然表现出稳定的输出(如图10(b)所示)，没有明显的性能退化，如此高的耐用性及稳定性得益于PDMS中MNF的坚固封装和传感器中多层结构的强粘结。进一步通过施加交叉力学信号，以不同频率(1、0.5、0.25、0.1Hz)的1N法向力下和在0.5HZ下的不同幅度(1、3、5、7N)的循环力来评估传感器的动态力响应，结果分别如图10(c)、图10(d)所示。结果表明，传感器的压力响应相当稳定，基线强度没有明显的波动，输出强度随施加的力的频率变化或幅值变化很容易被识别。本发明中的FIMF触觉传感器具有优异的耐久性和较高的静态/动态稳定性，适用于机器人抓取应用，如果通过减小光纤直径(参考Ma S Q,Wang X Y,Li P,et al.Optical Micro/Nano Fibers Enabled Smart Textiles for Human–Machine Interface)和减小PDMS封装层厚度来优化传感器结构，则其触压灵敏度可以进一步提高。
2、硬度感知实验及分析
在一定条件下，硬度与弹性模量之间成近似的线性关系，当胡克定律定义发生弹性形变时，弹性体的形变量x与接触力F之间成正比，即F＝k·x。其中k为弹性体的弹性模量，该公式可用来描述较为简单的弹性形变过程。对于被测物体来说k为常量，意味着在相同的挤压行程下(保持x恒定)力值反馈与k相关，不同的物体的k值给予反馈的力F也是不同的。基于此原理，采用机械手指行程与FIMF力值反馈相结合的办法用来识别物体的硬度特征。测试系统如图11(a)所示，首先利用精密测力仪(MPT，Mark-10 ESM303)挤压FIMF与不同邵氏硬度系数(A10-A80)标准块接触，挤压行程固定在2mm，通过示波器监视光强的变化。测试结果如图11(b)所示，记录了3个循环的强度变化波形，可见随着硬度的增加其透射强度降低，这是由于越硬的物体其刚度越大，则k值越大，在相同的x下则会导致更大的力值反馈，表现在FIMF会受到更大应力致使其光强度衰减更大。由于被测物体表面的粘滞性以及回弹性，导致FIMF响应波形会出现迟滞效应(如图11(c))，但是这并不影响FIMF对物体硬度的识别能力。为了测试FIMF识别硬度的可靠性，我们记录了超过30次试验的每个样本的负峰值，并将统计数据绘制在图11(d)中。很明显，这些标准硬度块可以通过FIMF的输出信号进行区分。
接下来将FIMF集成到双指机械手中(如图11(e)所示)来检测几种实验室常见物品的硬度，包括一个胶头滴管、一个皮革钱包、一块泡沫、空塑料瓶和一包纸巾。在每次测试过程中，通过上位机控制机械手接近夹持目标并压缩到规定的深度(设置为2mm)，持续时间为4S，进行三个循环。输出信号如图11(f)所示，可以观察到光强有轻微波动，这是由于机械手指的不稳定性造成的，即便如此，FIMF仍然能够根据光强响应的结果区分这些物体。
3、纹理感知实验及分析
在使用FIMF感知物体纹理时，感知对象是物体表面微小的几何形状的变化，在这项工作中，纹理是基于空间频率来表征的。实验系统如图12(a)所示，将FIMF固定在光学平台上，精密电动滑移台(PST，Z-Mod-SE-44-10SE)与精密Z轴位移台(PSD，LZ1000)刚性连接，其中测试物体与PST刚性连接，由上位机控制PST带动测试物体与FIMF发生接触扫描，通过这种测试方式，能够有效减少PST附带的机械振动干扰。图12(b)是纹理间距为4mm的测试物的实物图和侧面示意图。记录了该测试物与FIMF接触扫描(1mm/s)时，透射光强度随时间变化的响应波形(图12(c))。当测试物与FIMF接触挤压时，MNF产生弯曲导致传输光基模转变为辐射模，使透射光强降低。根据透射光强变化与所受压力的关系可计算得到此时法向力约为2N；测试物扫描FIMF时，可以观察响应波形发生周期性震荡，这是由于环形脊的引入放大了纹理引起的振动。增加接触压力时，扫描FIMF而产生的响应波形在幅值与周期上基本一致，振荡波形对应的中值发生下降(图12(d))，表明FIMF可同时用于接触力检测以及物体纹理感知。如图12(e)所示，在较高的扫描速度(50、100mm/s)下依然能够观察到透射光强的周期性变化，FIMF能够在不同滑动速度下捕捉物体纹理特征并将其转换为透射强度随时间变化的波形。
图13(a)是在较低的扫描速度(0.5至2mm/s)下，利用纹理间距为4mm的测试物扫描FIMF时，透射光强随时间的变化。通过快速傅立叶变换(FFT)计算每个波形的频谱，如图13(b)所示，频谱功率图中显著频率分别为0.125Hz、0.175Hz、0.25Hz、0.5Hz，其中显著频率(f)被定义为具有作为均方振幅(MSA)的最高功率的频率。将滑动速度除以显著频率来计算纹理的波长(λ＝v/f)。4种低速扫描结果对应的纹理波长均为4mm，与测量得到的真实值基本一致。透射光强信号的短时傅里叶变换(STFT)进一步描述了强度随时间的变化(图13(c))，在规则表面图案上的扫描使光强信号在低于10HZ的频率范围内引起相对于时间的周期性图案，其数量以及频率位置在相同时域内随着扫描速度的增加而增加。
最后为了验证FIMF传感器的普遍适用性，利用3D打印技术制备了更精细的纹理测试物，并用1mm/s的扫描速度扫描测试物。图14(a)对应纹理间距为1mm、0.5mm的测试物实物图，其滑动响应波形(图14(b))如预期的那样出现周期性震荡，对应的显著频率(图14(c))分别为1Hz、2Hz，根据滑动速度、显著频率和纹理波长的关系推导出其纹理波长与真实值一致。其中不同测试物的滑动响应波形振幅强度不同，这是由于对应纹理的高度差异化引起的，但并不妨碍我们依据显著频率结果来感知纹理间距。
实施例二：
本实施例中公开了制备实施例一中MNF柔性触觉传感系统的制造方法。
MNF柔性触觉传感系统的制造方法，包括：
S1：制备微纳光纤；
S2：将制备好的微纳光纤弯曲成弯曲半径为0.3mm-0.5mm的U形结构；
S3：通过上、下两层聚二甲基硅氧烷薄膜层夹持封装微纳光纤，得到感知层；
S4：制备具有凸起的环形脊结构的顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层；其中顶层弹性环形脊层上的环形脊与底层弹性环形脊层的环形脊错峰设置，使得顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层的环形脊结构能够形成互锁微结构；
S5：将感知层夹持固定于顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层之间，得到MNF柔性触觉传感系统。
具体实施过程中，利用单模光纤熔融拉锥得到非绝热锥形结构的微纳光纤；
具体的：首先将单模光纤剥去涂覆层，并用酒精擦拭；然后将处理后的单模光纤放入光纤熔接机进行放电操作(光纤熔接机的放电量设置为105bit，放电时间为2000ms，放电次数2为次)，得到直径为60μm-80μm(本实施例中的最数值为70μm)的锥形光纤结构；最后采用火焰熔融拉锥法通过光纤拉锥机对锥形光纤结构进行拉伸(光纤拉锥机的氢气流速设置为225sccm，预绘制速度为120μm/s，预拉制长度为10000μm)，得到非绝热锥形结构的微纳光纤。
本发明通过上述步骤制造的MNF柔性触觉传感系统(FIMF)包括从上至下依次复合的三层结构，即顶层弹性环形脊层、感知层和底层弹性环形脊层。其中顶层弹性环形脊层能够模拟人类指尖的指纹结构，有效增强表面粗糙度以及强化FIMF对滑动/摩擦引起的机械刺激的检测能力，从而提高FIMF的触感灵敏度。中间的感知层通过微纳光纤(MNF)将感知的时空触觉刺激转换为透射光输出强度变化形式实现感知，同时聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装结构中PDMS材料的低杨氏模量、生物相容性以及优异的光学性，使得封装结构能够保护微纳光纤，增强机械刺激，从而进一步提高FIMF的灵敏度并降低干扰。底层弹性环形脊层的环形脊结构与底层弹性环形脊层的环形脊结构错峰设置，使得顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层的环形脊结构能够形成互锁微结构，该互锁微结构能够更好的模拟指尖皮肤中的表皮/真皮互锁微结构，进而更有效的放大触觉刺激，从而提高FIMF的传感范围。
综上所述，本发明通过顶层弹性环形脊层、感知层和底层弹性环形脊层形成的仿生微结构设计，能够兼顾提高触觉传感的触感灵敏度和传感范围，并且顶层和底层的弹性环形脊层能够更好的保护MNF。同时通过MNF将感知的时空触觉刺激转换为透射光输出强度变化形式，使得感知的触觉刺激(如压力和振动)被转换为光学微纤维的变形弯曲，能够将导模倏逝场能量变化表现在输出光强度的变化上，从而能够更有效地检测静压、动压、振动等机械刺激，进而提高FIMF传感器的感知性能。此外弹性树脂具备柔韧性以及高效、精度高和可定制化，两层弹性树脂环形脊结构能够更好的模拟人类指尖的指纹结构，从而有效的增强表面粗糙度以及强化对滑动/摩擦引起的机械刺激的检测能力。
具体的，微纳光纤的直径为1μm-10μm(本实施例中的最数值为5μm)，腰锥长为100μm-2200μm(本实施例中的最数值为2200μm)。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统，其特征在于，包括：
感知层，用于感知时空触觉刺激；
感知层包括用于将感知的时空触觉刺激转换为透射光输出强度变化形式的微纳光纤，以及用于封装微纳光纤的聚二甲基硅氧烷封装结构；
顶层弹性环形脊层，设置于感知层用于感知时空触觉刺激的一侧，且背离感知层的一侧设置有环形脊结构；
底层弹性环形脊层，设置于感知层背离顶层弹性环形脊层的一侧，且与感知层接触的一侧设置有环形脊结构；
感知层被夹持固定于顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层之间；
环形脊结构包括若干个直径不同且同心设置的、向上凸起的环形脊；
顶层弹性环形脊层上的环形脊与底层弹性环形脊层的环形脊错峰设置，使得顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层的环形脊结构能够形成互锁微结构。
2.如权利要求1所述的模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统，其特征在于：感知层的微纳光纤为利用单模光纤熔融拉锥得到的非绝热锥形结构的微纳光纤。
3.如权利要求2所述的模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统，其特征在于：感知层的微纳光纤的直径为1μm-10μm，腰锥长为100μm-2200μm。
4.如权利要求1所述的模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统，其特征在于：聚二甲基硅氧烷封装结构包括平行设置的上、下两层聚二甲基硅氧烷薄膜层，微纳光纤被夹持封装于上、下两层聚二甲基硅氧烷薄膜层之间。
5.如权利要求4所述的模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统，其特征在于：上、下两层聚二甲基硅氧烷薄膜层的厚度为10μm-100μm。
6.如权利要求1所述的模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统，其特征在于：顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层上凸起的环形脊结构均是一体成型的。
7.如权利要求1所述的模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统，其特征在于：顶层弹性环形脊层的厚度为0.2mm-0.4mm；底层弹性环形脊层的厚度为0.3mm-0.5mm。
8.如权利要求1所述的模拟指尖皮肤微结构的MNF柔性触觉传感系统，其特征在于：顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层上的环形脊结构中最大环形脊的直径为10mm-14mm，环形脊间距为0.3mm-0.7mm，环形脊厚度为0.1mm-0.3mm，环形脊宽度为0.4mm-0.6mm。
9.MNF柔性触觉传感系统的制造方法，其特征在于，包括：
S1：制备微纳光纤；
S2：将制备好的微纳光纤弯曲成弯曲半径为0.3mm-0.5mm的U形结构；
S3：通过上、下两层聚二甲基硅氧烷薄膜层夹持封装微纳光纤，得到感知层；
S4：制备具有凸起的环形脊结构的顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层；其中顶层弹性环形脊层上的环形脊与底层弹性环形脊层的环形脊错峰设置，使得顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层的环形脊结构能够形成互锁微结构；
S5：将感知层夹持固定于顶层弹性环形脊层和底层弹性环形脊层之间，得到MNF柔性触觉传感系统。
10.如权利要求9所述的MNF柔性触觉传感系统的制造方法，其特征在于：步骤S1中，利用单模光纤熔融拉锥得到非绝热锥形结构的微纳光纤；
具体的：首先将单模光纤剥去涂覆层，并用酒精擦拭；然后将处理后的单模光纤放入光纤熔接机进行放电操作，得到直径为60μm-80μm的锥形光纤结构；最后采用火焰熔融拉锥法通过光纤拉锥机对锥形光纤结构进行拉伸，得到非绝热锥形结构的微纳光纤。
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