本文介绍了一项由东京大学（The University of Tokyo）的研究团队发表于《Science Advances》的研究成果，该研究于2023年9月8日在线发表。论文标题为《An optical-based multipoint 3-axis pressure sensor with a flexible thin-film form》，第一作者为Haoyang Wang，通讯作者为Takao Someya。研究团队主要来自东京大学工程学院电气工程与信息系统系，部分作者还隶属于广东以色列理工学院（Guangdong Technion–Israel Institute of Technology）和东京大学工程学院工程创新研究所。该研究报道了一种基于光学方法的多点三轴压力传感器，具有柔性薄膜形态，能够在3厘米×4厘米的区域内检测法向压力和切向压力的分布。

从学术背景来看，三轴触觉压力传感器能够检测平面上某一点不同方向的压力，包括垂直于平面的法向压力和沿平面的切向压力。此类传感器可以提供相当于甚至超过人类触觉的机械信息。多点压力分布识别与人工智能和数据分析相结合，已经展现出抓握识别和滑动检测等智能感知功能的可行性。此外，轻薄且柔性的传感器形态对于系统级集成的可行性和灵活性至关重要。然而，传统的光学式三轴压力传感器通常体积庞大，因为其依赖刚性透镜聚焦系统和成像电路，难以实现薄膜化和柔性化。为了克服这一问题，该研究提出了一种新型柔性压力传感器，利用多孔橡胶作为三轴压力敏感的光学调制器，省略了厚而刚性的聚焦系统，同时保持了较高的灵敏度。研究目标是实现具有高精度法向和切向压力检测能力、轻薄且可弯曲的多点三轴压力传感器。

在工作流程方面，该研究首先构建了柔性压力传感器的整体结构。传感器由三层组成：顶部为柔性背光层，中间为半透明多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）橡胶制成的压力敏感层，底部为薄膜柔性成像器。背光层通过光扩散器和银反射器在底部形成点光源阵列。多孔橡胶在光线传播过程中引起散射，受压变形时改变散射程度和光斑位置。底部成像器采用有机光电二极管（OPDs）和低温多晶硅（LTPS）薄膜晶体管（TFTs）在薄膜基板上制造，像素尺寸为235微米，总像素数为126×168，分布在3厘米×4厘米区域。该区域被划分为6×8个传感单元，每个单元可检测一个点的三轴压力。成像器采用一晶体管一电容结构，以逐行扫描模式读取图像。在背光层的制造中，研究团队自制了一种薄而可拉伸的扩散膜，通过将二氧化钛（TiO₂）颗粒与PDMS复合，采用涂覆和剥离方法制备。扩散膜的厚度为150微米，TiO₂颗粒复合区域厚度约为2至3微米。通过添加扩散膜，背光发射的光具有更好的纵轴对称性。背光层在6×8的发光窗口阵列中提供点光源，窗口为100微米宽的正方形，相邻窗口间距为5毫米。多孔橡胶通过将糖颗粒与PDMS前驱液以1:1体积比混合，固化后溶解糖颗粒制成，厚度为800微米。多孔橡胶内部具有直径约100至300微米的大孔和数十微米的小孔。整个传感器总厚度为1.5毫米，可弯曲至18毫米半径。在实验测试中，研究团队搭建了一套自制三轴压力加载与测量装置，包括商用三轴力传感器和电机驱动的三维移动平台。通过控制电机移动平台来施加法向和切向压力。成像器信号通过定制电路和微控制器读取，使用Python和MATLAB进行数据处理。光斑形状通过二维高斯函数拟合，拟合参数中的标准差σ反映法向压力，光斑中心位置μₓ和μᵧ的变化反映切向压力的大小和方向。为了验证工作机制，团队还使用COMSOL Multiphysics进行了固体力学和几何光学仿真。

在主要结果方面，研究团队首先验证了多孔橡胶对传感器响应的影响。与使用块状PDMS的传感器相比，使用多孔橡胶的传感器在50千帕法向压力下响应提高了2.6倍，传感范围扩展到300千帕以上。对于切向压力，使用多孔橡胶也使响应增加了18%。传感器在法向压力最高360千帕和切向压力最高100千帕的范围内均能正常工作。在准静态重复测试中，法向压力检测误差在100千帕以下小于3千帕，最小可检测压力为1千帕，在360千帕时误差为13千帕，全范围平均误差为6.7千帕。切向压力检测误差在整个测试范围内几乎恒定，平均为0.56千帕。传感器在1000次重复测试中表现出良好的重现性和稳定性。多点三轴压力分布检测实验中，研究团队分别用手指单点触摸、双指触摸和棒状物体施加压力，传感器能够准确检测法向压力分布和切向压力方向与幅度。此外，传感器在弯曲状态下仍能正常工作，但弯曲会引起轻微信号变化，重新校准后可解决该问题。研究还发现，即使仅使用光斑中心2毫米×2毫米的区域，仍能可靠检测三轴压力，因此传感单元之间的最小距离可以减小到约3毫米。

在结论部分，该研究成功开发了一种大规模柔性压力传感器，在3厘米×4厘米区域内以6×8个检测点检测三轴压力分布。传感器采用全塑料材料，具有薄膜形态，可轻松贴合各种曲面。法向压力检测范围达360千帕，切向压力达100千帕，具备宽动态范围和较低检测误差。这种轻薄柔软的特性使其能够直接安装到目标传感区域，而不会显著影响物体原有的形状，因此不需要为特定对象重新设计传感器结构。该研究的科学价值在于通过多孔橡胶的光散射调制机制，解决了无透镜聚焦系统下模糊图像中微小变化难以识别的问题，实现了高精度压力检测。其应用价值体现在机器人、医疗或福利设备以及人机交互系统等领域，能够提供前所未有的三轴压力分布信息，帮助实现先进压力追踪、抓握控制和滑动检测。研究的亮点包括：使用多孔橡胶作为三轴压力敏感光学调制器，无需刚性透镜即可实现高灵敏度；传感器总厚度仅1.5毫米，弯曲半径18毫米，具有柔性薄膜形态；通过曲线拟合方法充分利用成像器信息，实现低检测误差；并且传感器具有较大的压力检测范围和良好的重复性。

此外，研究还讨论了传感器的一些局限性。曲线拟合方法在多点压力传感时相对耗时，且不能提供端到端的触觉识别信息，完美拟合也难以实现，可能导致额外误差。未来通过优化图像处理算法和人工智能，有望实现实时多点三轴压力检测并提高精度。研究还展望了进一步提高空间分辨率和实现可拉伸形态的可能性，例如通过减薄多孔橡胶和优化孔隙网络结构，或者采用岛状结构和可拉伸互连实现可拉伸成像系统。该研究为柔性光学式三轴压力传感器的设计提供了新的思路，并为多种实际应用场景中的压力检测奠定了基础。