微纳光纤技术实现类人触觉感知追寻“一束光”的潜力

■ 何冬健

供图/视觉中国

编者按

硬核科技是展现国家科技硬实力的重要窗口，为产业升级和发展注入内生动力和创新活力。在新一代信息技术、光电芯片、人工智能、航空航天、生物技术、新材料、新能源、智能制造等领域，涌现出越来越多的硬核科技，推进浙江省向创新强省迈进。本栏目将立足时空维度、贯穿行业视角、锚定前沿发展，聚焦事关浙江发展的关键领域核心技术和创新成果，彰显浙江科技“硬”力量、打造浙江科技“硬”品牌。

有了微纳光纤的加持，在不远的未来，我们也许可以看到机器在体内复杂腔道中自由‘游动’，中风患者在康复治疗中拥有了外骨骼，生命科学研究者可以抓取微米级细胞……

触觉有多重要？机器人是怎么实现触觉的？这项技术能给我们的生活带来怎样的变化？

具有类人触觉感知能力的“光子皮肤”、高性能光致动微型机器人夹爪……之江实验室类人感知研究中心触觉感知研究团队经过两年多潜心研究，率先提出了基于微纳光纤的触觉感知与再现研究新思路，技术成果“激起千层浪”，让国内外学者直呼“惊喜”。

传递触觉的“特殊道路”

我们对这个世界最初的感知通常是从触觉开始的。第一声啼哭之前，婴儿经历过诱发哭声的拍打；成长中提笔、拍球；生活中握手、敲击键盘、使用手机……触觉充斥于我们日常生活的方方面面。

2021 年，诺贝尔生理学或医学奖颁给了美国科学家大卫·朱利叶斯和阿登·帕塔普蒂安，表彰理由正是他们发现了“温度和触觉的受体”。

当然，相较于视觉和听觉等其他感官研究，触觉研究相对滞后，主要原因在于其感知机制、复现和数字化进程困难重重。在人工智能迅速发展的今天，如何实现“类人触觉感知”，已成为当今科学研究的前沿热点之一。

微纳光纤是之江实验室着力探寻的技术路径之一。作为一种新型光波导，微纳光纤的直径是头发丝的几十到几百分之一，具有独特的光学和力学特性，被誉为“下一代光纤”。在这样一个直径范围内，它传输光的特性会发生明显改变——很大一部分光以一种叫倏逝场的特殊形式在微纳光纤表面传输。

“微纳光纤外围的强倏逝场对外界微弱压力或温度刺激非常敏感。比如一片飘落的羽毛、一段悠扬的音乐，或者是人体无法分辨的0.01℃的温度变化，都会造成封装在柔性薄膜中微纳光纤输出光谱的显著改变，这使得微纳光纤很适合制作高灵敏的触觉传感器。”之江实验室类人感知研究中心研究专家张磊说。

微纳光纤由标准光纤通过加热拉伸获得，结构上呈现中间细、两端粗。“中间那部分就是微纳光纤，我们用它来感受外界的微弱刺激；而两边未拉伸的部分是标准光纤，起到传输信号的作用。”张磊说。

目前，在突破微纳光纤可控制备和柔性封装等关键技术的基础上，团队搭建了一套基于微纳光纤传感器的机器人触觉感知系统，研究力、温度、湿度、硬度和纹理传感等类人触觉感知技术。

也许在未来的某一天，你与朋友相隔千里，但只要使用这项类人触觉感知技术，也可以实时感受“握手”和“拥抱”。

模仿多种知觉的感受器

既然是模仿人类的触觉系统，那么这套设备是如何工作的呢？

对人类来说，当人体皮肤感受到触摸带来的压迫时，马上会发出一个微小的信号，这个信号会随神经纤维到达大脑，大脑可以马上感受到这次触摸并分辨出触摸的大小和位置。

模仿人类触觉系统的工作原理，手部触觉可以增强机器人物体识别和灵巧操作的能力，体表触觉可以让机器人在人机共存时具备更好的协作性和安全性，而足底触觉则可以提高机器人的平衡性、机动性和适应性。

“传感器是机器人从环境中获取信息的媒介，感知是智能机器人工作闭环中的第一步。”之江实验室类人感知研究中心研究专员余龙腾讲解道，团队巧妙地将整个过程拆分开来，分门别类进行处理。在传感器的设计上，他们采用微纳光纤等敏感材料去感受外界的刺激，产生的信号经过标准光纤传输到计算机，由计算机来处理并给出反馈指令。

在机器人的实际应用中，为了实现灵巧操作和触觉反馈等过程，力感应和滑动检测功能至关重要，一款柔性触觉传感器应运而生。

该传感器拥有类似指纹的沟壑表面，以及软硬不同的多层结构，和人类手指皮肤的结构特征非常相似。“凭借这些设计特点，当传感器与不同形状、材料的物体接触时，它可提供与抓握、滑动相关的有用信息。”余龙腾说。

除了感知力信号外，皮肤还可以感知热觉、冷觉、痛觉等多种触觉类型，这要归功于皮肤中4 种感知不同类型刺激的感知小体。

温度感知能力是团队在触觉感知上的另一个突破。在实验中，将微纳光纤传感器布置在机械臂指尖，它可以对不同温度的咖啡进行识别和操作。

机器人先用手指依次从冷、温、热三种温度的咖啡上方掠过，微纳光纤传感器以非接触方式感知咖啡温度，从而让机器人判断咖啡位置。盛放咖啡的杯子柔软易变形，机器人借助微纳光纤的力传感控制抓力，保证杯子被稳稳抓起而不会使咖啡溢出。

之江实验室类人感知研究中心研究专员肖建亮表示，虽然类人触觉传感器目前还达不到人体的智能程度，但在部分感知上可以做到超越人类极限，“一粒花粉落在皮肤上面，我们人体是感觉不到的，但对于类人触觉传感器来说，其灵敏度和分辨率可以设计到足够高，从而感受到常人感受不到的东西”。

监测生理信号的“守护者”

想象一下，未来人们只需携带一个几平方厘米大小的传感器，医生就可以在办公室里第一时间看到准确的生理信号，根据人们的健康状况制定相应的诊疗方案，那是多么方便的一件事。

据了解，利用微纳光纤制备的触觉传感器和我们印象中的传感器有明显的不同，它具有良好的柔韧性，可以穿戴在人们身上。通过对微弱压力、应变、温度和湿度参量的高灵敏度和快响应的感知，可实时监测人们的脉搏和血压等信号的变化。

“通常情况下，压力、温度、湿度等信号会存在串扰，因此难以准确有效地提取生理信号。”张磊说。针对人体生理信号的健康监测，团队对传感器结构做了特殊设计，使它可以感受到0.01℃的皮肤温度变化；同时为了进一步提升微弱生理信号的监测能力，研制出灵敏度达102kPa-1 的高性能应变传感器，实现了对声音和指尖脉搏的实时监测。

在我国人口老龄化程度加深的背景下，这种传感器可以让未来的医护人员更好地在远程监测老年人或病患的生理信息，更及时地为需要帮助的人提供医疗服务。可以说，触觉感知研究工作让科技的力量成为了照进我们生活里的“一束光”。

此外，为发展触觉再现技术，使器件在具备“感知”能力的同时具备“执行”能力，团队以微纳光纤为核心，构建了用于智能柔性抓取的光波导型软体致动器。

“这是一种由微纳光纤和智能材料共同组成的微型智能器件，是人工肌肉、软体机器人及微操控等技术的基础。”肖建亮介绍道，“微纳光纤致动器可以抓取不同形状、大小的物体，还可以在大范围内抓取、移动、操控物体，弥补了空间光型致动器‘精准操作难’的缺陷。有了软体致动器的配合，触觉传感器的技术链路也会更加完整。”

有了微纳光纤的加持，在不远的未来，我们也许可以看到机器在体内复杂腔道中自由“游动”，中风患者在康复治疗中拥有了外骨骼，生命科学研究者可以抓取微米级细胞……

之江实验室的最新研究成果，让所有“追光者”更加确信：一束光里，潜藏着柔软却强大的力量。