[发明专利]一种基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器

说明书

本发明公开了一种基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器。柔性基底、隔离层、柔性薄膜依次层叠布置，柔性基底和隔离层之间、隔离层和柔性薄膜之间分别布置有一根微纳光纤，两根微纳光纤均沿直线平行布置且正上下方布置；两根微纳光纤分别感知接近觉和感知接触觉，感知接近觉的微纳光纤位于上方，感知接近觉的微纳光纤之上布置有湿度敏感层，湿度敏感层上方的柔性薄膜处开设有湿度和压力工作窗口。本发明可实现接近、接触、离开等全过程监测，为多功能光子皮肤在人机交互、智能机器人方面的应用提供了一种新的可行性设计方案。

技术领域

本发明属于触觉感知领域的一种触觉传感器，具体是涉及了一种基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器。

背景技术

人体触觉是皮肤中的机械感受器对不同的外界刺激产生响应后，各种刺激信号经过神经的传递，在大脑中有效融合后实现的触觉感知。人体的触觉生理，包括机械感受器、神经编码方案和抓取策略，启发了科学家设计人机交互系统。

目前，电子皮肤已经从检测单一功能发展至同步检测复杂变量。目前，基于电阻式、电容式、电感式等策略的电学传感器已经用于检测压力、温度、接近度、振动等。随着灵敏感知的迫切需求，协同监测接近—接触事件引起了触觉感知领域的广泛研究兴趣。例如：中科院纳米能源所王中林教授课题组开发了一种高度可伸缩的矩阵网络，将电子皮肤的感应功能拓展至温度、面内应变、湿度、光、磁场，压力和接近度。郑州大学代坤教授和中科院纳米能源所潘曹峰教授课题组利用多层银纳米线/还原氧化石墨烯/热塑性聚氨酯薄膜合作开发了一种具有可调应变检测范围的用于超灵敏接触和非接触传感的多功能电子皮肤。

与电学传感器相比，基于光学的光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰、灵敏度高和响应速度快等优点。最近，南京大学徐飞教授课题组报道了一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)嵌入式混合等离子体微纳光纤谐振腔的可穿戴设备用于高灵敏的压力感知。我们课题组利用PDMS包埋的微纳光纤实现了压力、应变、弯曲角度和温度的感知。虽然基于光学原理的多功能触觉感知研究取得了重要进展，但是对于接近—接触觉的协同感知研究仍然缺乏。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于微纳光纤的接近觉—接触觉传感器，它能够实现接近觉和接触觉的协同测量。

本发明是一种具有皮肤结构和功能特征的柔性光学触觉传感器，对于人机交互和健康医疗领域具有重要意义。

为实现以上上述目的，本发明所采取的技术方案是：

本发明包括柔性基底、两根拉伸过的微纳光纤、隔离层、柔性薄膜，柔性基底、隔离层、柔性薄膜依次层叠布置，柔性基底和隔离层之间布置有第一根微纳光纤，隔离层和柔性薄膜之间布置有第二根微纳光纤，两根微纳光纤均沿直线平行布置且第二根微纳光纤位于第一根微纳光纤的正上方。

两根微纳光纤均包括两端的未拉伸部分、中间的腰区以及连接在两端的未拉伸部分和中间的腰区之间的拉锥过渡区。

两根微纳光纤分别为感知接近觉的微纳光纤和感知接触觉的微纳光纤，感知接触觉的微纳光纤位于柔性基底和隔离层之间，感知接近觉的微纳光纤位于隔离层和柔性薄膜之间。

隔离层和柔性薄膜之间的感知接近觉的微纳光纤之上布置有湿度敏感层，湿度敏感层上方的柔性薄膜处开设有湿度和压力工作窗口。

感知接近觉的微纳光纤的腰区位于和感知接触觉的微纳光纤的腰区正上方，湿度敏感层布置在感知接近觉的微纳光纤的腰区上面。

两根微纳光纤中的腰区直径不同，感知接近觉的微纳光纤的腰区直径小于感知接触觉的微纳光纤的腰区直径。

所述的两根微纳光纤的两端均分别连接白光光源和光谱仪。

所述的柔性基底、隔离层、柔性薄膜采用相同材料，均采用折射率大于空气折射率、但小于微纳光纤折射率的材料。