麻省理工学院（MIT）的机械工程团队近期开发出一款全柔性、可穿戴的形状感应皮肤。该设备基于光学波导阵列技术，能够在保持柔软特性的同时，实现对二维平面及三维形状的高精度重建。相关研究成果已发表于《先进智能系统》（Advanced Intelligent Systems）期刊。
技术原理：双向弯曲感知与光损耗机制
传统光纤传感器通常依赖玻璃芯传输光线，当纤维弯曲时，到达远端的光量会减少，从而通过测量光输出来推断曲率。然而，这种单一方向的检测难以区分弯曲的方向。
MIT 团队对此进行了改进，采用柔性芯替代玻璃，并在一侧涂覆黑色涂层，使其故意变粗。当纤维向涂层一侧或相反方向弯曲时，会导致不同量的光丢失，从而实现双向弯曲的方向感应。此外，纤维对压力敏感，因此也能感知外部力量。
硬件架构与数据处理
该传感表面完全由硅胶制成，内部嵌入了多根光纤。每根光纤的一端连接 LED，另一端连接光传感器。尽管传感表面柔软，但整片硅胶基底不会拉伸。电子元件位于边缘，包括模数转换器，通过 I2C 协议将数据传输至微控制器。
具体参数如下：
- 尺寸：16 x 16 x 0.5 厘米。
- 波导布局：共 14 个波导，分为两层，每层 7 个，呈之字形排列。
- 波导长度：每个波导长 160 mm。
- 处理频率：重建过程在 MATLAB 中运行，频率约为每秒三次，涵盖传感器采样、数据记录和绘图。
外部电路板负责数据采集，并通过算法将其转换为完整的二维平面和三维形状。强度传感器的读数未经校准，用于判断力度，且这种检测与形状模式分开运行。
模拟优化与实验验证
为了确定最佳布局，研究团队首先模拟了不同波导配置下的板块性能。模拟条件包括：每层使用 3 到 20 个波导，角度范围 0 到 35 度，针对 6 种目标形状，增加 10% 噪声，每次进行 30 次试验。结果显示，调整波导布局比单纯增加波导数量更能提高准确度，其中之字形间隔图案表现最优。
在鲁棒性测试中，即使部分纤维被切断或断开，剩余部分仍能重建整体形状。模拟数据显示，当 14 个波导中最多 3 个被禁用时，误差低于 0.3 厘米；若禁用 5 个波导，误差上升至大约 1 厘米或更多。
随后，团队根据模拟结果构建了实物原型，并通过对角折叠进行测试。为了更精确地评估，将纸张放置在三种已知形状的 3D 打印模具上。真实表面与重建表面之间的均方根误差（RMSE）分别为 0.37、0.28 和 0.45 厘米。
麻省理工学院机械工程研究生 Qifan Yu 指出，刚性传感器的设计尺寸约为 1 至 2 厘米，而该柔性设备的实验室测试误差低于半厘米，其结果至少与现有技术相提并论。
应用场景与未来展望
由于该技术具有全柔性和安全性，适用于人体穿戴。每位作者的演示均在自身身体上进行，通过简化的缩放方法测量手腕和肘部的角度。麻省理工学院机械工程助理教授兼合著者凯特琳·贝克尔（Caitlin Becker）表示，团队希望建立工具，帮助物理治疗师跟踪和量化患者的进展。此外，这项技术还可应用于虚拟现实中的运动模拟，以及机器人的远程操作。
研究人员计划进一步缩小纤维厚度，目前 1 毫米厚的纤维有望变得只有几十微米细，从而使得更多数量的纤维能够融入时尚服装中。未来的工作方向还包括：开发更快的解决方案以替代通用的 MATLAB 处理流程，增加波导层数和细化波导宽度以提升细节分辨率，使用更薄的板材，实现单独板材同时测量力和形状，以及集成可拉伸电子设备。
