MIT 研究人員開發柔性傳感器 能夠在變形過程中重建三維形狀

麻省理工學院的研究人員開發出一種柔性傳感器，能夠在彎曲、折疊和扭轉的過程中重建自身的三維形狀。這項技術有助於遠程控制機器人、創造運動追蹤服裝，並在物理康復過程中測量患者的進展。該系統將靈活的光纖嵌入矽膠中，利用傳輸光線的變化來追蹤表面變形。隨後，軟件將這些測量結果轉換為數字重建，幾乎實時跟隨材料的運動。與依賴附加在衣物上的剛性傳感器的運動捕捉系統不同，這種設計在其感應表面使用柔性元件，並且即使纖維受損，也不會失去重建整體形狀的能力。

研究人員製作了光纖，使用柔性橡膠核心，外圍包裹黑色橡膠包層。他們故意將每個核心的一側粗糙化，以使其對彎曲的反應更為明顯。當光纖彎曲時，一些光會偏離其路徑。粗糙的表面使這一效果對彎曲方向更為敏感，使研究人員能夠通過測量從對面端口發出的光來估算每根纖維的曲率。雖然單根光纖可以沿著一條線檢測曲率，但重建整個表面則面臨更大的挑戰。麻省理工學院的團隊通過將多根光纖嵌入可拉伸的矽膠薄片中來解決這一問題。

光纖設計與曲率測量

計算機模擬幫助研究人員比較不同的光纖排列，包括棋盤格和之字形模式。其中一種特定的之字形配置被證明在捕捉薄片形狀的複雜變化上最為有效。

研究人員利用該排列製作了一個實體薄片。LED 燈通過光纖發送光線，位於對面端口的傳感器測量輸出。外部電路板收集並放大這些讀數。一個算法將這些測量結果轉換為薄片的三維表示。在演示過程中，研究人員將材料對角折疊，數字對應物隨著幾何形狀的變化而變化。他們還將薄片放置在準確形狀的 3D 打印模具上，以評估其準確性。根據麻省理工學院機械工程研究生 Qifan Yu 的說法，重建的表面誤差小於 0.4 釐米。

Yu 表示，使用剛性傳感器的類似系統通常產生的誤差約為 1 到 2 釐米。團隊還展示了即使一些纖維被剪斷或斷開，薄片仍能重建其整體形狀。

應用於物理治療的潛力

研究人員設想了一種能夠讓用戶控制影片遊戲角色或遠程操作機器人的服裝。這項技術還可以幫助物理治療師在康復過程中測量患者的流動性。治療師可以將材料包裹在患者的手臂或腿部，以記錄運動和活動範圍。重複測量可以幫助臨牀醫生比較不同會議中的流動性並評估康復情況。共同作者、麻省理工學院機械工程助理教授 Kaitlyn Becker 表示，這項技術可以幫助治療師隨時間比較患者評估。

未來的改進計劃

團隊目前計劃使纖維變得更薄。他們當前的纖維約為 1 毫米粗，但改進的製造方法可能將其厚度縮減至幾十微米。更薄的纖維將使研究人員能夠在服裝中嵌入更多感應元件，從而潛在地捕捉身體運動的更細節。

該研究發表於《先進智能系統》期刊。

柔性傳感器的應用潛力與挑戰

這項技術的開發顯示了柔性傳感器在各種應用中的潛力，特別是在遠程控制和物理康復領域。隨著傳感器能夠在變形過程中準確重建三維形狀，這不僅提升了運動捕捉的準確性，還能幫助醫療專業人員更有效地監測患者康復進程。未來，隨著光纖技術的進一步改進，這些傳感器有望在更廣泛的應用中發揮重要作用，尤其是在需要高精度運動追蹤的場合。