[发明专利]波导和基于波导的传感器

说明书

提供了一种波导。波导具有第一芯、与第一芯间隔开并与第一芯平行的第二芯、以及围绕第一芯和第二芯的包层。包层的间隙部分位于第一芯和第二芯之间。第一芯的与包层相邻的第一区域或包层的与第一芯相邻的第一区域被染色。

关于联邦资助研究的声明

本发明是在国防部授予的合同编号为N00014-17-1-2837的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求现在未决的2017年11月29日提交的美国临时申请号62/592,073和现在未决的2018年3月13日提交的美国临时申请号62/642,407的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及力传感器，以及特别，涉及用于软机器人的传感器。

背景技术

由弹性材料制成的可拉伸的光波导已经被证明是用于软机器人应用和可穿戴技术的有效传感器。这些波导材料的弹性模量和应变接近软机器人和人类皮肤的弹性模量和应变。因此，可拉伸的波导传感器提供始终与被感测的软体的顺应(conformable)接触，这是刚性传感器不能实现的。

可拉伸的光波导对变形敏感。当波导以任何可能的方式变形时，诸如被按压、弯曲或拉伸，波导输出强度降低。先前的可拉伸的波导传感器由具有较高折射率的透明芯和具有较低折射率的包层组成。使LED与波导输入接触，以及将光电二极管放置为与波导输出接触以测量输出强度。使用这些波导，根据输出强度，人们只能辨别波导是否变形，但是不能辨别正在施加哪种类型的变形。另外，使用先前的设计，也没有办法辨别变形沿着波导的位置。使用这种可拉伸的波导不能实现分布式感测。

在现有技术中，已经论证了其它光学方法以提供分布式感测。光纤布拉格光栅(FBG)对测量返回的布拉格信号的波长偏移起作用，波长偏移是被测量的参数(例如，应变、应力、温度)的函数。布拉格光栅可以沿着波导的长度产生并实现位置敏感性。然而，此方法具有例如以下缺点：(1)用于这些应用的光纤是柔性的，但不是可拉伸的，因此它们不可以很好地顺应柔软且可拉伸的物体。(2)测量波长偏移的仪器非常大，并且不允许对小型软机器人和可穿戴小工具的紧凑且无线感测。

另一方案通过受抑全内反射实现分布式触觉感测。在此方案中，透明的丙烯酸板连接到光源以作为波导，其中光通过板(反射率n_platen_air)内的全内反射(TIR)传播。柔顺薄膜松散地层叠在丙烯酸板上，允许薄膜和板(n_membranen_air)之间的空气间隙。当外力施加到薄膜上时，空气间隙塌缩，使薄膜与板紧密接触。高折射率薄膜抑制了丙烯酸板中的TIR，并引起漫反射，漫反射由放置于丙烯酸板下方的CCD照相机收集。尽管此方法在触觉感测方面良好，但是除了按压之外，它不能感测任何其他变形，诸如弯曲和拉伸。另外，这种设置涉及刚性件，并且无法达到使整个传感器顺应以匹配柔体的目标。

另一类型的这种传感器基于变形时聚合物泡沫中的光散射的原理来操作。传感器系统由特定类型的感测元件的多个重复单元组成。每个感测元件由一个LED、一个光电二极管和一块聚合物泡沫构成。LED和光电二极管被聚合物泡沫覆盖并面朝上并排放置。来自LED的光被聚合物泡沫中的气泡散射，并且散射的光强度由光电二极管测量。当聚合物泡沫变形时，散射的光强度改变。尽管此系统通过将刚性部件分解成小模块而提供了更好的机械柔性，但是其仍然不能提供真正的拉伸性和顺应性。它也仅对压力敏感，而对其它类型的变形不敏感。另外，传感器系统的空间分辨率取决于LED和光电二极管模块的密度，这是非常消耗功率的。

基于前述内容，存在对解决上述缺陷中的一个或多个的传感器的未满足的需要。

发明内容