一种灵活的光学智能皮肤，通过分布式偏振分析技术，利用单根光纤实现高密度的触觉感应节点

《Optics and Lasers in Engineering》：Flexible optical smart skin with high-density tactile sensing nodes using a single strand of optical fiber via distributed polarization analysis

基于单模光纤的密集阵列光学智能皮肤实现高分辨率多点触觉感知与多功能扩展。该皮肤通过分布式偏振分析技术将光纤的线偏振态变化转化为压力分布数据，有效解决了电子皮肤布线复杂、能耗高、串扰等问题，支持大范围柔性部署且数据传输能耗与节点数量无关。实验表明其空间分辨率达毫米级，灵敏度1.238×10?5 RIU/N，可同时检测应变和温度，为机器人交互、智能假肢等领域提供新方案。

　　这项研究提出了一种创新的光学智能皮肤（o-skin），它通过单根单模光纤实现二维触觉感知。与传统电子触觉传感器相比，o-skin 在多个方面展现出显著的优势，包括简化布线、降低能耗、减少传感器之间的串扰，以及具备良好的环境适应性。这些特性使其在需要高密度触觉感知的应用中具有广阔前景，例如机器人感知、人机交互以及假肢技术等。

触觉信息在提升机器人智能和人机互动质量方面至关重要。目前，大多数电子触觉传感器阵列依赖于复杂的布线结构、高能耗、以及可能的传感器间干扰等问题。而 o-skin 的设计通过使用单根单模光纤作为信号传输和传感的通道，巧妙地将触觉感应节点分布于柔性基底之上，从而避免了传统电子方法的诸多限制。这种创新不仅提高了触觉感知的精度，还使整个系统具备更高的适应性和稳定性。

在触觉传感器的设计中，空间分辨率和感知力是衡量其性能的重要指标。o-skin 通过全 Mueller 矩阵分布式偏振分析技术（DPA），能够对光纤中的偏振状态进行精确测量，从而解码与压力相关的双折射信息。这种技术的应用使得触觉数据的获取更加高效，同时也能实现高精度的力感知。此外，由于 DPA 技术的引入，数据处理时间与传感器节点数量无关，这一特点使得 o-skin 在实现大规模、高密度触觉感知时具有更高的可行性。

传统的电子触觉传感器通常需要多个独立的数据通道来实现多点测量，这不仅增加了系统的复杂性，还提高了制造和维护的成本。而 o-skin 仅需一个数据通道，这大大简化了系统的布线管理，降低了能耗，并减少了传感器间的串扰问题。在实验中，o-skin 的空间分辨率被优化到毫米级别，其力敏感度达到 1.238×10?? RIU/N（RIU：折射率单位），能够检测的最小力为 3.3×10?? N，最大力为 8.4 N，动态范围达到 44 dB。这些性能指标表明，o-skin 在实现高精度、高密度触觉感知方面具有显著优势。

除了触觉感知，o-skin 还能够扩展用于同时检测温度和应变，这一多功能特性使其在多个应用领域中具有更大的灵活性。通过在光纤中嵌入不同类型的传感结构，如多点温度感应节点或应变感应节点，可以实现对多种物理量的同步监测。这为未来智能皮肤的多功能化发展提供了新的思路，同时也拓展了其在工业、医疗和智能设备等领域的应用潜力。

在实际应用中，o-skin 的设计具有良好的可扩展性。例如，通过调整光纤的布局和传感节点的数量，可以灵活地适应不同大小和形状的感知需求。这种模块化的设计理念使得 o-skin 能够广泛应用于各种需要高精度触觉反馈的场景，如机器人抓取、触觉导航和人机协作等。此外，o-skin 的制造成本较低，使用标准的单模光纤和薄不锈钢箔，这使其在大规模生产中更具经济性。

从材料选择和结构设计来看，o-skin 采用了一种高度柔性的不锈钢箔作为基底，这种材料不仅具备良好的机械性能，还能够有效支撑光纤的分布结构。通过将光纤以蛇形模式嵌入基底中，使得触觉感应节点能够均匀分布于整个感知区域，从而实现高密度的触觉感知。这种设计方式不仅提高了系统的灵敏度，还增强了其在复杂环境中的适应能力。

在实验验证方面，o-skin 展现出优异的线性响应和高精度的力检测能力。通过对多个随机选择的触觉感应节点进行测试，研究人员发现 o-skin 在不同压力条件下均能保持良好的性能，且其输出数据具有较高的一致性。此外，实验还表明 o-skin 的空间分辨率可以达到 1 mm，这使其在需要高精度触觉反馈的应用中具有显著优势。

从系统集成的角度来看，o-skin 的设计具有良好的可扩展性。通过将光纤与多个触觉感应节点进行连接，可以实现对整个感知区域的全面覆盖。这种设计方式不仅提高了系统的灵活性，还增强了其在复杂环境中的适应能力。同时，由于数据处理时间与传感节点数量无关，使得 o-skin 在实现大规模、高密度触觉感知时具有更高的效率。

在能源管理方面，o-skin 的设计也具有显著优势。由于其仅需一个数据通道，减少了外部电源的需求，使得整个系统在连续监测过程中具有更低的能耗。此外，通过优化光纤的布局和传感节点的分布，可以进一步降低系统的能耗，使其更适合长时间运行的应用场景。这种节能特性使得 o-skin 在需要高密度触觉感知的应用中具有更高的可行性。

从技术发展趋势来看，o-skin 的设计代表了触觉感知领域的一个重要方向。随着对高精度、高密度触觉反馈需求的不断增长，传统的电子触觉传感器面临着诸多挑战，如复杂的布线结构、高能耗以及难以实现的大规模集成。而 o-skin 通过使用光学技术，克服了这些限制，使得触觉感知系统更加高效、灵活和可靠。

此外，o-skin 还具备良好的环境适应性。由于光纤能够有效抵抗电磁干扰，并且具有良好的电气绝缘性能，使得 o-skin 在复杂电磁环境中依然能够保持稳定的性能。这种特性使其在需要高可靠性触觉反馈的应用中具有显著优势，例如在工业自动化、医疗设备和智能机器人等场景中。

在制造工艺方面，o-skin 的设计采用了标准的单模光纤和薄不锈钢箔，这使得其制造过程相对简单，并且成本较低。这种低成本、易制造的特性使得 o-skin 在大规模生产中更具可行性。同时，由于其高度柔性，o-skin 能够更好地适应不同形状的机器人或物体表面，从而提高其在实际应用中的适应性。

在实际应用中，o-skin 的多功能性使其能够满足更多样化的感知需求。除了触觉感知，它还能够检测温度和应变，这使得其在需要多参数同步监测的应用中具有更高的灵活性。例如，在智能假肢中，o-skin 不仅能够检测用户的触觉反馈，还能够监测体温变化和肌肉应变，从而提供更加全面的反馈信息。

从系统性能来看，o-skin 的力敏感度和动态范围均表现出色。实验数据显示，其力敏感度达到 1.238×10?? RIU/N，能够检测的最小力为 3.3×10?? N，最大力为 8.4 N，动态范围达到 44 dB。这些性能指标表明，o-skin 在实现高精度、高密度触觉感知方面具有显著优势。

在技术应用前景方面，o-skin 的设计为未来智能皮肤的发展提供了新的思路。通过进一步优化光纤的布局和传感节点的分布，可以实现更高精度、更大范围的触觉感知。此外，结合其他传感技术，如温度和应变检测，可以拓展 o-skin 的应用范围，使其在更多领域中发挥重要作用。

综上所述，这项研究提出了一种创新的光学智能皮肤（o-skin），通过单根单模光纤实现二维触觉感知。与传统电子触觉传感器相比，o-skin 在多个方面展现出显著优势，包括简化布线、降低能耗、减少传感器间的串扰，以及具备良好的环境适应性和可扩展性。这些特性使其在需要高密度、高精度触觉反馈的应用中具有广阔前景，同时也为未来智能皮肤的发展提供了新的方向。