基于变形编码光场转导与生成式自校准的毫米级六自由度光学力/扭矩传感器研究
一、 研究团队与发表信息
本项研究由上海交通大学生物医学工程学院的张玮祎、刘畅、李政、张浩然、沈西鹏、兰琪、顾成富和杨建龙*共同完成。研究成果以论文形式发表于光学领域的权威期刊《Optica》，于2026年5月7日在线发表，论文标题为“Deformation-encoded light-field transduction enables 6-DOF optical force sensing in a 1.7 mm footprint”。
二、 学术背景与研究目标
本研究属于机器人传感、微操作与生物医学工程交叉领域，聚焦于六自由度力/扭矩传感技术。在机器人精细操作、微纳制造及微创介入手术（如导管手术、内窥镜手术）中，精确感知三维空间中的三个平移力和三个旋转扭矩至关重要。然而，现有技术（如基于应变片、光纤布拉格光栅、电容或压电原理的传感器）在实现微型化、简化制造工艺和降低成本方面面临挑战。这些传感器通常体积较大、结构复杂，难以集成到直径仅数毫米的导管或连续体机器人中。
针对这一瓶颈，研究团队提出并验证了一种全新的传感范式：变形编码光场转导。其核心目标是在超小尺寸（直径1.7毫米）内实现高线性度、低迟滞、可重复的六维力/力矩测量，并通过单一光学通道完成所有信息的获取与解码。研究旨在开发一种全光学、无源、结构紧凑的力/扭矩传感平台，为下一代微型化机器人系统和生物医学器械提供关键的触觉感知能力。
三、 详细研究流程与方法
本研究包含一个完整的技术闭环：从传感器设计与物理机制分析，到光学响应表征与可观测性验证，再到数据驱动的解码算法开发与性能评估，最后进行概念验证应用演示。
1. 传感器设计与光学转导机制 研究团队设计了一种基于相干光纤束的微型光学-机械结构。传感器探头远端包含三个核心部件：一个作为接触界面的半球形弹性体（PDMS-石墨复合材料）圆顶、一个提供机械柔顺性的微型弹簧支架，以及一个用于传输光信号的相干光纤束。当外力或扭矩作用于弹性体圆顶时，其微变形会改变内部光学空腔的几何形状和表面倾斜度，从而调制进入光纤束纤芯的光场空间分布。这种由变形引起的光场变化通过光纤束保持的一一对应空间映射关系，被传输至近端的CMOS相机，形成一幅编码了全部六维外载信息的空间强度图案。整个传感机制完全被动，无需在传感端集成任何电子元件。
2. 变形模式与可观测性分析 为了理解不同载荷分量如何影响光学响应，研究首先通过有限元分析模拟了弹性体圆顶在六轴载荷下的变形模式。模拟结果显示，尽管在毫米尺度上存在结构耦合（例如，侧向力Fx与弯曲扭矩Ty产生的变形模式相似），但不同载荷产生的位移场仍具有可区分的空间特征，这为从空间分辨的光学测量中重建多维力提供了物理基础。
随后，研究通过实验数据进行了像素空间雅可比矩阵分析，以量化评估从光学信号中唯一推断六维外载的能力。分析表明，光学响应对六维扳手空间的雅可比矩阵是满秩的，奇异值谱逐渐衰减而无缺失，证明所有六个载荷分量在原理上都是可观测的。然而，矩阵的条件数约为73，表明逆映射存在中等程度的病态性，即某些加载方向（尤其是轴向扭矩Tz）产生的光学信号较弱，对噪声更敏感。这一发现直接推动了后续采用数据驱动而非解析反演的稳健解码框架。
3. 光学响应表征与数据集构建 研究搭建了一个定制的光学-机械实验平台，用于在受控加载条件下同步采集光学图像和作为地面真值的六维力/扭矩数据（使用ATI Nano43传感器）。加载范围设定为：侧向力Fx, Fy在±0.1 N内，轴向力Fz在0-0.6 N内，弯曲扭矩Tx, Ty在±1 N·mm内，轴向扭矩Tz在±0.1 N·mm内。通过协调运动平台，系统性地探索了六维扳手空间，共收集了46,807对样本（未变形参考图像与变形图像及其对应的真实载荷向量），并划分为训练集、验证集和测试集。
实验观察到，不同载荷分量会诱导出特征性的光学图案：轴向力Fz导致光场的全局调制和径向扩张；侧向力和弯曲扭矩产生不对称的强度梯度和图案位移；轴向扭矩Tz则产生螺旋状位移图案。然而，当多个载荷分量共存时，其光学特征会发生重叠和耦合，使得载荷与光场之间的映射呈现高度非线性和交叉耦合特性。
4. 生成式自校准框架 为解决高维扳手空间标定数据采集困难以及病态逆映射问题，研究团队创新性地提出了一个两阶段的生成式自校准框架。
第一阶段：基于潜在扩散模型的合成数据生成。研究利用潜在扩散模型来生成覆盖整个六维力/扭矩空间的大规模合成光学响应数据。该模型以未变形图像和施加的扳手向量为条件，在潜在空间中进行扩散过程，生成与给定载荷在物理上一致的变形图像。通过从高斯分布中采样大量扳手向量，生成了10万个合成样本，极大地扩充了数据集的覆盖范围和多样性。分析表明，合成数据不仅在潜在特征空间上与真实数据分布重叠，还能填补真实数据稀疏的区域，并且保留了光学-机械映射的主要结构特性（通过拟合其雅可比矩阵验证）。
第二阶段：基于真实数据的微调与差分学习。使用第一阶段生成的合成数据对回归网络进行预训练，建立从光学图像到载荷的初始映射。随后，用有限的真实实验数据对该网络进行微调，以弥合合成与真实数据之间的域差距。为了提高对变形信号的敏感性并抑制光照等共模干扰，研究采用了差分学习策略。网络不是直接从单张图像回归载荷，而是学习从“变形图像”与“未变形参考图像”的特征差中解码载荷信息。这种表示方式放大了由机械载荷引起的变化。在微调过程中，混合使用少量真实数据和部分合成数据，以防止对小型真实数据集的过拟合，并确保在整个扳手空间内保持均匀的准确性。
5. 六维扳手重建实验与性能表征 训练完成后，研究对传感器的性能进行了全面定量评估： * 静态性能：在逐步加载测试中，传感器在五个主要通道（Fx, Fy, Fz, Tx, Ty）上表现出高度线性，决定系数R²超过0.99。轴向扭矩Tz通道的R²为0.78，这主要归因于其工作范围窄且参考传感器分辨率有限。基于无负载条件下的噪声，传感器的分辨率估计为：平移力通道约2×10⁻⁴ N至6×10⁻⁴ N，扭矩通道约1×10⁻³ N·mm至9×10⁻⁴ N·mm。 * 动态性能：在连续加载/卸载的时间序列测试中，传感器的预测值紧密跟随地面真值，无明显延迟或基线漂移，证明了其实时跟踪能力。 * 重复性与迟滞：三次全量程循环加载测试显示，所有通道响应高度可重复，迟滞值很小（平移通道0.0041~0.0156 N，旋转通道0.0214~0.0469 N·mm）。 * 鲁棒性测试：传感器在温度变化（25°C, 40°C, 50°C）和光纤弯曲（直径150 mm和80 mm）条件下，预测精度未出现显著下降，R²值保持稳定，证明了其环境适应性。 * 算法对比与消融研究：将所提框架与多种基准模型（如ResNet、Vision Transformer、其他生成器U-Net/CGAN）进行比较，结果显示其取得了最低的均方根误差和最高的R²值，同时保持了紧凑的模型规模和亚3毫秒的推理延迟。消融研究证实了合成数据、两阶段训练和差分特征编码各自对提升性能的贡献。
6. 概念验证：肿瘤触诊 为展示其应用潜力，研究在包含硬质球形嵌入物的明胶体模上进行了肿瘤触诊验证实验。传感器在体模表面进行扫描，成功重建了扫描路径上的六维力/扭矩轮廓。当探针经过肿瘤区域时，法向力显著增加，扭矩响应也呈现特征性变化。重建的二维扭矩矢量场显示了围绕肿瘤区域的循环趋势。在体模表面覆盖牛肌肉组织以模拟更真实条件后，实验进一步证明，融合多维力/扭矩信息（Fz + Fxy + Txy）比仅使用法向力能更准确、更稳健地定位肿瘤中心。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
本研究取得了一系列系统性的结果： 1. 成功设计并制造了全球最小的六自由度光学力/扭矩传感器，直径仅1.7毫米，为微型化集成树立了新标杆。 2. 通过有限元和雅可比分析，从原理上验证了“变形编码光场”机制可实现六维力感知，同时明确了微型化带来的耦合挑战（病态性）。 3. 实验表征证实了光学响应与六维载荷之间存在复杂但可解码的非线性映射关系，为采用数据驱动方法提供了依据。 4. 创新性地提出了生成式自校准框架，有效解决了高维空间标定数据稀缺和病态逆问题，实现了仅用有限实验数据即可进行高精度、数据高效的载荷估计。 5. 全面的性能测试表明，该传感器在静态线性度、动态响应、重复性、迟滞以及环境鲁棒性方面均表现优异，满足实际应用需求。 6. 肿瘤触诊概念验证展示了该传感器在生物医学应用（如组织刚度感知、肿瘤定位）中的实用价值。
这些结果层层递进：传感器设计是基础，机理分析提供了理论支撑，实验表征揭示了问题本质，算法创新提供了解决方案，性能测试验证了方案的有效性，最终的应用演示则指明了其潜在价值。
五、 研究结论与价值
本研究成功开发了一种集成了变形编码光场转导机制与生成式自校准框架的毫米级六自由度光学力/扭矩传感平台。该平台在仅1.7毫米的尺寸内实现了高性能的全维度力/力矩测量，且无需尖端电子器件或复杂复用系统，提供了一种紧凑、全被动、成本效益高的传感解决方案。
其科学价值在于：1) 提出并验证了一种新的光学力传感物理机制，将复杂的多维机械变形编码为高维光场空间信息；2) 开创性地将生成式模型（潜在扩散模型）应用于高维物理传感系统的标定，为解决类似复杂非线性系统的数据稀缺和建模困难问题提供了新范式；3) 展示了差分学习等策略在提升物理信号解码鲁棒性方面的有效性。
其应用价值显著：该传感器极其紧凑的尺寸、全光学无源特性以及对弯曲和温度变化的鲁棒性，使其非常适合于集成到柔性手术机器人、导管、内窥镜以及其他空间受限的微型化机器人系统中，为精细操作提供至关重要的触觉反馈，有望推动微创手术、细胞操作、精密装配等领域的技术进步。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究还探讨了制造重复性与跨探针校准迁移的初步结果。虽然由于制造工艺（如浸涂）的微观差异，每个传感器探头具有独特的光学指纹，需要单独校准，但使用一个探头的预训练权重来初始化另一个探头的训练，可以显著加速收敛。这表明不同探头间关于变形模式的共享表征是可以迁移的，为未来批量生产中的自动化校准提供了可能性。此外，论文也指出了当前方案的局限性（如Tz通道灵敏度相对较低）和未来优化方向，包括优化弹性体几何形状、引入各向异性刚度设计、探索自监督学习策略以及集成相位敏感光学读出等，为后续研究指明了道路。