這項研究發(fā)表于最新一期的《科學機器人》(Science Robotics)期刊，在這篇主題為“透過可伸縮光波導的光電方式支配柔性義肢手臂”(Optoelectronically innervated soft prosthetic hand via stretchable optical waveguides)一文中，研究人員詳細描述由光學透明核心(在860nm時約有2dB/cm的傳播損耗)形成化學惰性可伸縮光波導的制造與作業(yè)，包覆成為光阻彈性體。一旦其中一端裝配LED，而另一端為光電二極管時，這些彈性體光波導可用于監(jiān)測任何變形(拉伸、彎曲與壓縮)對于光傳播的影響。

在這項研究中的彈性體光波導是利用3D打印取得的低成本客制模具制造的，它具有每邊3mm的正方形輪廓，內部核心約1mm寬。其中幾個可容納在氣動的柔性義肢手指中，并可在實際應用環(huán)境中測試其感測功能。用于制造波導的制程步驟(每個步驟都具有相應的橫截面)實際的波導呈彎曲形狀

雖然本體感應通常發(fā)生在傳統的機械手臂上，并透過馬達運動編碼器結合大型的剛性多軸力/扭矩負載單元執(zhí)行，但在這項研究中只有一種連續(xù)的柔性傳感器能夠有效地支配柔性的義肢手。

在研究人員開發(fā)的柔性機器手上，每支手指都配備三個可彎曲成U型的波導，用于偵測整個手指的軸向應力。而在沒有軸向應力的手指中安裝剛性板，其中一個波導則在指尖處作為觸控傳感器。由于原始波導模具的表面粗糙度取決于3D打印的分辨率，這些波導的光學傳輸性能可經由設計為非等向性。這是因為波導核心接口的“頂部”具有原子級的平滑度，而“底部”核心接口則由于脫膜而具有平均6nm的粗糙度。這等非等向性意味著信號的輸出取決于(向上或向下)彎曲的方向。這種信號傳播的非等向性也可用于左右彎曲偵測的應用。

利用基于波導的光電傳感器，研究人員得以偵測施加在彈性體硅膠手指的曲率、延展性與應力。將制造完成的手安裝在機器手臂上、掃瞄計算機鼠標以及從感測數據中重建輪廓

分析這些光學數據(波導變形時的光損耗)顯示，這種柔性義肢手可以區(qū)別小至5m^-1的曲線，以及0.1mm數量級的粗糙度。在進行展示時，研究人員以手指拖曳簡單對象(如鼠標)的掃描動作，顯示他們已能純粹從光學數據中重建鼠標的形狀，包括鼠標的滾輪與點擊動作。

這種機器手不僅能偵測形狀和紋理，還可根據三種波導的應力分析，偵測不同測試對象的柔軟度。

該研究并作出了結論：盡管這種柔性義肢手仍只是一種研究原型，但卻突顯了柔性光波導可作為傳感器的通用性。此外，由于波導傳感器以及致動器主體共享材料庫(硅晶、彈性體…)，使得更多的傳感器均可被整合于致動器或甚至取代致動器主體，以實現更高的傳感器密度。利用來自LED的更大功率范圍(從基礎功率到環(huán)境光功率)，以及擴大柔性致動器的壓力范圍，以更多力量按壓對象，從而能夠提高靈敏度。

研究人員強調，盡管傳感器被建構在手指致動器內部的不同位置，但仍能觀察到信號耦合。他們期望透過納入更多的傳感器擷取更密集的信息，輸出信號也將實現越來越多耦合，但研究人員們預期，由于波導傳感器的輸出極其精確且可重復，可以利用機器學習技術將輸入映像到輸出，或透過收集大量數據以執(zhí)行更微妙的對象辨識。