一张软软的硅胶片,能实时知道自己被弯成了什么形状,误差还压在半厘米以内。MIT的工程师把它做出来了,论文发在《Advanced Intelligent Systems》上,标题里写的是"迈向全软、多功能的形状感知"。
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团队里负责这项工作的MIT机械工程研究生Qifan Yu给了一个参照:传统刚性传感器的误差大概在1到2厘米。他的评价是,这套方案"至少和现有技术打平"。实验室里测出来的数字是0.37、0.28、0.45厘米——把软片盖在三个已知形状的3D打印模具上,比较真实表面和重建表面之间的均方根距离。
做法不复杂,但有点巧。普通光纤是一根透明芯裹在挡光的包层里,弯了之后到达末端的光会变少,量一下出光量就能反推弯曲程度。MIT改了两处:芯换成柔性橡胶,包层染成黑色,再把光纤的一侧故意磨粗。这样一来,往磨粗那侧弯和往反侧弯,损失的光量不一样,方向就分出来了。
他们把14根波导埋进一块16×16×0.5厘米的硅胶片,分两层、每层7根,走的是锯齿形排布。每根光纤一头接LED,另一头接光传感器,数据由边缘的电路板收集,模数转换后经I2C送进微控制器。重建算法跑在MATLAB里,大约每秒三次,这个速度已经把采样、记录和绘图都算进去了。
锯齿形不是随手画的。团队先做仿真:给不同排布的光纤算出已知形状下的出光读数,再让重建算法去估形状,和真值比对。在六种目标形状、0到35度夹角、每层3到20根波导、加10%噪声、每种跑30次的条件下,有一种锯齿间距的拟合最接近。他们还发现了一件反直觉的事——把波导斜着放,比多加几根更能提升精度。
抗损能力也测了。剪断或断开几根光纤,剩下的还能把整体形状重建出来。仿真里,14根中最多坏3根,误差保持在0.3厘米以下;坏到5根,误差就涨到1厘米左右或更多。不过报道里也点了一句:几根断了还能用,真做成衣服需要的是多得多、也细得多的光纤。
现在的光纤直径是1毫米,团队下一步想先做更薄的片子。他们的说法是,这类光纤可以细到几十微米,比人的头发还细,那时候才有可能谈智能服装。后续方向还包括更快的求解器(替掉MATLAB里的通用版本)、更多层更窄的波导、把力和形状拆成两张片分别测,以及可拉伸的电子器件。
演示环节里,每个可穿戴样例都是作者自己戴在自己身上做的。手腕和肘部角度用了一套更简单的换算方法,因为这些关节处的拉伸会干扰形状算法。至于力 sensing,目前没有标定过的力度读数,测不出"按得有多重",而且这条检测通路和形状模式是分开跑的。
共同作者、MIT机械工程助理教授Kaitlyn Becker说,团队希望做出工具,帮物理治疗师追踪并量化患者随时间推移的进展,让不同疗程之间的比较更精确。Yu提到,全软的感应表面在人身边用起来可能更安全。除此之外,这套东西还能用在VR里模拟动作、远程操作机器人,或者干脆用在软体机器人身上。
物理治疗演示里有个细节:按压前臂,光纤能感受到这个外力。这也是波导本身的特性——它对压力有响应。一张既能知道自己什么形状、又能感觉到被按的软片,离"皮肤"这个词确实近了一步。
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