形状感知薄片在弯曲和扭转时以数字方式追踪自身运动

# 形状感知薄片在弯曲和扭转时以数字方式追踪自身运动 来源：https://news.mit.edu/2026/shape-sensing-sheet-digitally-tracks-movement-bends-twists-1008 麻省理工学院的工程师开发出一种柔性形状感知薄片，能够在弯曲和扭转时以数字方式重建自身形态。 这种传感器的原理与某些动作捕捉服装相似，后者通过追踪人体动作，让虚拟化身模仿这些动作。这类设计使用刚性传感器，并将其缝在服装的关键位置。 相比之下，团队的新设计采用多根柔软的光纤，以之字形遍布一张柔软且可拉伸的薄片。当薄片弯曲时，光纤也随之弯曲，从而改变在其中传播的光的模式。研究人员开发了一种算法，能够即时解读光纤弯曲所产生的光模式，并生成与薄片运动方式一致的数字图像。团队还证明，这种设计具有抗损伤能力：即使有几根光纤被切断或断开连接，其余光纤仍能准确重建薄片的整体形状。 “我们的装置旨在实现完全柔软且可拉伸的感知表面，因此在与人或柔软环境交互时，可能更加安全，”麻省理工学院机械工程研究生 Qifan Yu 表示。 团队设想，这种新设计可以制成柔软、易弯曲的服装，让用户舒适地穿着，并通过身体动作控制电子游戏角色或遥控机器人。这种薄片也可用于物理治疗场景，包裹在患者的腿部或手臂上，在每次治疗期间追踪并记录其活动能力和关节活动范围。 “例如，在物理治疗中，你经常需要收集患者在康复期间如何移动和伸展手臂的数据，”Yu 说。“表面形状感知在这方面可能非常有用。” Yu 和同事在发表于期刊*Advanced Intelligent Systems*（https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.70488）*的一项研究中介绍了他们的设计。*这项研究在麻省理工学院的共同作者包括研究生 Nina Cao 和机械工程助理教授 Kaitlyn Becker。 **光的形状** 团队的形状感知设计是在标准光纤的基础上进行改进。光纤也称为波导，其设计目的是让光高效地沿纤维传播。光纤由玻璃等透明材料制成的纤芯，以及包裹在外部的深色不透明包层组成。当光从光纤的一端射入时，深色包层会将光限制在玻璃纤芯内，而纤芯本身极其光滑，使光能够以接近完美的效率直接穿过光纤。波导用于光纤电缆，实现超高速、高效率的数据传输和电信通信。 科学家也曾尝试将波导用作简单的形状传感器：当光纤弯曲时，能够穿过整根光纤的光量会受到影响。光纤弯曲得越厉害，从另一端射出的光就越少。因此，射出的光量可以用来衡量光纤的弯曲程度。通过这种方式，光纤已被用于感知简单的曲率。 “人们曾用波导来感知一条线的形状，并将其应用于机械臂，以观察机械臂如何弯曲，”Yu 说。“但波导还没有被用于表面形状感知，以重建表面的三维形状。这正是我们在这里尝试做的事情。” **光纤改造** 在这项新设计中，研究人员自行制造了光纤，并做了一些改动。与传统波导一样，他们的光纤由透明纤芯和包围纤芯的深色包层组成。他们没有使用坚硬的玻璃，而是采用透明、柔性的橡胶纤芯，并用同一种橡胶材料染成黑色来制作包层。 他们还刻意将纤芯的一侧弄粗糙，而不是让它保持完全光滑。他们推断，如果光纤的一侧比另一侧更粗糙，那么当光纤向一个方向弯曲时，穿过其中的光会在粗糙表面发生散射，影响从另一端射出的总光量。如果光纤以相同角度向光滑的一侧弯曲，透过的光量则会不同。这样，一侧经过粗糙化处理的光纤就应当能够充当双向形状传感器。 团队制造了多根双向光纤，并尝试将它们嵌入柔软的硅胶薄片中，通过适当排列，使光纤能够在薄片弯曲和扭转时重建其形状。为此，研究人员模拟了嵌有不同光纤排列图案的薄片，从简单的棋盘格排列，到交叉的之字形排列。 他们模拟了薄片弯曲或扭转的不同方式，并测量了每种光纤排列下的输出光量。他们将这些光量测量值转换为每根光纤弯曲程度的估计值，再综合这些估计值构建薄片的整体三维形状，并与最初模拟的薄片形状进行比较。通过这些模拟，他们发现，采用特定间距的之字形光纤排列最接近重现薄片的原始形状。 随后，研究人员制造了一张形状感知薄片，将同样的之字形光纤图案嵌入其中。他们在每根光纤的一端安装了 LED，在另一端安装了光传感器，并将其连接到外部电路板，以采集和放大光量测量信号。他们还开发了一种算法，能够自动将光纤的测量值转换为薄片整体三维形状的重建结果。 实验表明，当研究人员将薄片扭成不同形态时，算法能够流畅地生成薄片的虚拟重建，几乎达到实时效果。例如，当他们沿对角线折叠薄片，再向相反方向折叠时，虚拟孪生体几乎实时地模仿了这些形状变化。 他们还将薄片放置在不同的 3D 打印模具上，以精确测量数字重建薄片与覆盖在各个模具上的实体薄片之间的差异。在这些测试中，他们发现，这种柔性传感薄片比其他设计更准确。 “我们使用一个指标来描述实际表面与重建表面之间的距离，据此发现，我们的误差小于 0.4 厘米，”Yu 说。“现有设计采用刚性传感器，误差约为 1 至 2 厘米。因此，这个结果相当不错，至少与现有技术处于同一水平。” 团队将进一步优化这张感知薄片，首先是减小其厚度。目前，光纤的厚度为 1 毫米。其他制造工艺可以将其减薄至几十微米，比一根头发还细。随后，研究人员设想将更多光纤嵌入服装中，以感知其形状和形态的细微变化，例如用于评估患者在物理治疗中的表现。 “我们希望开发一些工具，增强物理治疗师的能力，帮助他们追踪并量化患者随时间取得的进展，”Becker 说。“这些感知薄片可以帮助物理治疗师更准确地回顾和比较今天的评估情况与两个月前、相隔数百次诊疗的评估情况。” 这项研究获得了 MathWorks 的部分资助。