[发明专利]在传感器或显示器中使用的波导

说明书

本申请公开了波导，比如光导，其完全由弹性材料制成或在外表面上具有凹痕。这些改进的波导可被用于传感器、软机器人或显示器。例如，波导可以用在应变传感器、曲率传感器或力传感器中。在一个例子中，波导可以用在手部假体中。本申请还公开了使用所公开的波导的传感器和制造波导的方法。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2016年2月25日提交的、申请号为62/299,582的美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请的内容通过引用并入本申请。本申请还要求2016年9月1日提交的、申请号为62/382,484的美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请的内容通过引用并入本申请。

技术领域

本申请涉及波导，更具体地，涉及可以在传感器或显示器中使用的波导。

背景技术

波导，如光导(light guides)，可以约束并引导波。这可以使波(例如光波)能够被传输一定的距离。波导具有许多用途，包括在传感器中使用。

软机器人技术是一个新兴的领域，其展示出用作外骨骼的巨大潜力，因为软机器人技术具有内在的柔顺性(compliance)，这是安全人机交互的重要特征。由有机弹性体组成的软机器人系统具有内在的柔顺性，由于其柔顺性、安全性和舒适性，其已展示出作为可穿戴设备的潜力。内在的柔顺性源于材料与生物组织相若的低弹性模量。虽然内在柔顺的致动器(如“McKibben人造肌肉”)已经存在了数十年，但流体动力的弹性体致动器(FEA)的新设计已显示出作为可穿戴矫形器的巨大潜力。然而，缺乏可靠、易结合并且经济的柔顺传感器，这限制了软机器人技术的应用。

对于可穿戴式软致动器，当它们通过驱动关节移动而工作时，弯曲是最常用的运动。因此，可能需要一种弯曲曲率传感器，因为曲率是要控制的直接变量。然而，制造精确、可靠且价格合理的曲率传感器是很困难的。

目前正在开发的手部矫形器通常具有两种功能：(1)康复训练或(2)协助日常生活活动。这两种用途都需要安全可靠并具有可预测表现以及反馈控制的系统。尽管FEA的设计和制造越来越精妙，但这些致动器的传感和控制仍处于初期阶段。控制精妙性滞后的主要原因是这些系统的高非线性和软传感器所需的相对专业化的制造。虽然针对FEA开发了柔顺和可拉伸的传感器，但开环控制仍然是最常用的操作方法。相对于目前可实现的情况，许多控制系统要求更高的精度、可重复性以及分辨率。除了简单的开环控制外，FEA的一些其他的控制方法还包括自适应控制、实时有限元法(finite element method)以及基于视觉的比例-积分-微分(PID)控制。自适应控制已经应用于McKibben肌肉，其本质上是线性致动器而不是弯曲的FEA。实时有限元法可以很好地判断致动器的行为，但是这种方法需要足够的系统知识来执行精确的模拟。基于计算机视觉的传统PID反馈控制已经应用于液压FEA，但是该方法需要外部相机，而这些外部相机限制了穿戴者的潜在移动性。

流体动力的软致动器已显示出作为假体和矫形器的潜力。与电机驱动的对应设备相比，这些设备更轻，同时通过简单的控制输入可以进行连续和更自然的变形，还更易于制造，并且由于其液相的处理，更有可能在批量生产(例如，注塑成型)中实现。然而，很少有软假体能展示出与基于刚性连杆的手部假体相当的感应能力，基于刚性连杆的手部假体通过电机运动编码器多次实现本体感受的感测并通过薄膜力传感器多次实现触觉感测。相反，流体驱动的软系统通过在通常大于50％的应变(e＝L-L₀/L)下对它们的主体拉伸来操作。大多数现有的传感器与这些应变是不相容的，并且虽然在开发软致动器的可拉伸传感器的领域正在努力，但仍有机会获得可靠、易于制造、安全且化学稳定的传感器。