摘要
触觉是人类感知世界的重要途径之一，触觉传感器的发展可以延伸和超越人类的触觉感知范围，从而实现更全面的环境感知和交互。传统的电学式触觉传感器存在易受电磁干扰、寄生效应、响应线性度差等弊端。相比之下，光纤式触觉传感器具有抗电磁干扰、灵敏度高、响应速度快等优势而备受关注。然而，现阶段的光纤式触觉传感器能感知的触觉参量过于单一，无法满足多模态触觉参量传感的应用需求。 受人类的触觉感知机制以及手指皮肤生理结构特性的启发，本文提出一种基于微纳光纤耦合器（Optical Microfiber Coupler, OMC）的仿生触觉传感器，旨在实现对多模态触觉参量（温度、接触力、硬度、振动、粗糙度及纹理）的传感。本课题通过结合数值仿真与实验测试的方式开展研究，主要研究内容如下： （1）从理论方面分析OMC的基本光学传输特性和传感机理，并在此基础上，提出一种具有仿生结构的触觉传感器。利用具有超灵敏和多参量传感能力的OMC作为核心传感单元，效仿分布于人类真皮内的触觉感受器。选用传感媒介聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）封装OMC 以管理其倏逝场，效仿人类的真皮。使用具有类指纹状结构分布的接触层效仿表皮，以起到放大摩擦诱导的触觉振动效用。 （2）采用数值仿真分析方法，对所提出的仿生触觉传感器模型进行仿真研究。首先研究传感模型在不同温度条件下的干涉光谱响应特性，通过追踪特征波长的光谱位置实现了温度传感。接着探究OMC在机械触觉刺激诱导的微弯形变条件下的光场演变特性，通过监测输出光强实现对机械触觉刺激的传感。此外，还探讨了OMC的结构参数对传感性能的影响。仿真分析结果验证了该传感模型的可行性，为实体传感器的制备及实验测试提供理论指导。 （3）研制基于OMC的仿生触觉传感器，搭建多模态触觉传感实验系统，并通过实验测试传感器的实际触觉传感性能。实验结果表明，传感器的最高温度灵敏度为-1903.1 pm/℃，最高温度分辨率为0.0053℃，最高接触力灵敏度为-3.34 V/N，可以精确探测不同模式（频率和振幅）的振动，并基于接触力响应特性实现对物体的硬度识别，基于摩擦诱导的触觉振动传感实现对物体表面粗糙度和纹理细节特征的精准识别。此外，还探究了OMC 均匀腰区半径对传感性能的调控作用以及指纹接触层对触觉振动的放大作用，并验证了传感器的响应速度、可逆性和稳定性，为实际应用提供可靠性支撑。 本课题所研究的仿生触觉传感器实现了多模态触觉感知数字化，同时具有灵敏度高、稳定性好、制作简单等优点，在未来的人—机—环境交互场景中具有巨大的应用潜力。
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