仿生多点定位光纤阵列传感器，具备表皮-真皮层互锁结构

《Optics & Laser Technology》：Bio-inspired multi-point positioning fiber array sensor with epidermis-dermis interlocking structure

被动生物启发多触点光纤传感器通过表皮-真皮交锁结构与梯度模量比（1.8:1）实现动态表面形变下的发光强度提升154%，结合自修复机械发光层与双通道光电倍增管解耦技术，形成六点压力接触光学空间定位方案，适用于智能机器人、可穿戴健康监测及人机交互领域。

　　这项研究提出了一种基于表皮-真皮互锁结构的被动仿生多点定位光纤阵列传感器（BMPFAS）。该传感器通过一个被动光子触觉传感阵列实现了对六个压力接触点的光学空间定位。其核心在于模仿人类皮肤的微观结构，以增强触觉感知能力。这种设计不仅能够有效集中和放大微小的机械刺激，还能在动态表面变形的情况下保持较高的灵敏度和响应速度。

人类指尖皮肤具有丰富的微观结构，这些结构在触觉感知中起着至关重要的作用。表皮层的指纹状脊状图案以及表皮与真皮之间的互锁波纹结构，不仅提高了物体接触时的摩擦力和接触面积，还集中并放大了细微的机械刺激，从而提升了触觉敏感性。研究表明，指纹脊状结构在滑动过程中能够放大振动信号，从而增强对表面纹理的感知能力。同时，表皮与真皮之间的互锁结构可以有效地将外部机械信号传递至皮肤内部的机械感受器，提高触觉信号的感知精度。

在柔性可穿戴触觉传感技术领域，仿生策略提供了实现多功能、高性能触觉传感系统的重要思路。通过模仿人类皮肤的结构和功能特性，研究人员将这些特性融入到柔性传感器的设计中，从而显著提升了设备的性能。例如，Park等人在柔性铁电薄膜传感器表面构建了指纹状纹理和互锁微穹顶结构，这些结构增强了传感器对静态和动态机械/热刺激的压电、电阻和热电响应，提高了对多模态触觉信号的检测灵敏度和分辨率。此外，研究还表明，在弹性界面引入双层交错的微穹顶阵列可以扩大接触面积和应变范围，从而增强对多种力的检测能力，如压力和剪切力。

在光学触觉传感器方面，近年来的研究开始利用微/纳米纤维（MNFs）作为“光学神经”，将这些纤维嵌入模拟指尖皮肤生物微结构的结构中。这种设计将触觉特征（如压力、硬度和振动）转化为纤维内光的传输变化。例如，Fan等人提出了一种基于微/纳米纤维的触觉传感器（FIMF）结构，其中两层不同刚度的环形脊状结构被堆叠在弹性基底上，以模拟指纹图案和表皮/真皮互锁结构。当外部力作用时，双层脊状结构产生交错接触，提高了耦合稳定性和有效的传感区域。实验结果表明，这种互锁仿生结构显著提高了FIMF传感器在低压范围（0–2 N）内的灵敏度，并使其能够识别物体的硬度和表面纹理。

目前，电子和光子触觉传感器，特别是基于光纤的传感器，已经取得了快速的发展。电子传感器通常依赖于压阻、压电、电容或摩擦电机制，通过柔性材料和微结构设计实现对压力、拉伸和振动等多轴力的检测。相比之下，光纤传感器利用光强度或波长的变化来感知变形，具有尺寸小、灵敏度高以及固有抗电磁干扰的优势。例如，在微/纳米纤维封装的传感单元中，即使是最轻微的弯曲或压力施加，也会导致额外的光传播损耗，这种损耗可以被测量并用于触觉特征的识别。这些优点使得基于光纤的触觉传感器在触觉特征识别和人机交互方面展现出巨大的潜力。

然而，现有的光纤触觉传感器在长期运行和复杂环境条件下，其灵敏度和稳定性仍然受到显著影响。一方面，摩擦电和压阻设备在暴露于湿度或温度波动时常常出现输出漂移。另一方面，光纤传感器虽然具有一定的优势，但同样无法完全避免环境干扰的影响。机械疲劳、界面磨损和材料老化等因素会逐渐降低光调制效率，从而削弱信号响应，最终导致灵敏度下降。换句话说，尽管光学传感方案本质上具有高灵敏度，但其对环境干扰的不耐受性和耐用性问题仍然限制了其在更广泛可穿戴应用中的使用。

因此，迫切需要将仿生结构设计与材料创新相结合，以增强光纤触觉传感器的可靠性和多模态检测能力，确保其在恶劣环境中仍能保持高灵敏度和稳定运行。本研究提出的BMPFAS传感器正是基于这一需求，通过模仿人类皮肤的互锁微观结构，并结合双组分无机发光材料，构建了一个能够实现多点定位的自发光光子传感器阵列。该传感器无需外部光源即可实现触觉信号的检测，同时在动态表面变形时表现出显著的发光强度增强效果。

传感器的结构设计借鉴了人类皮肤的微观特征，以实现高效的机械发光（ML）信号收集。如图1(a)所示，该传感器的ML信号收集区采用了一种硬顶软底的仿生互锁微穹顶纳米阵列。这种结构能够将应力集中在ML材料的界面，从而提高其发光效率。同时，将石英光纤的端面嵌入到无机发光矩阵中，形成光子耦合点。当机械刺激作用时，这些耦合点能够将机械能转化为光信号，并通过由级联1×2光耦合器组成的多路光纤网络传输至双光电倍增管（PMT）终端，实现同步的光强量化和信号解耦。这种设计不仅提高了传感器的响应速度和灵敏度，还有效避免了不同接触点之间的信号串扰。

在材料选择方面，研究人员采用了一种双组分无机发光材料体系，包括ZnS:Cu@Al?O?和长余辉的SrAl?O?:Eu2?/Dy3?。这两种材料分别被用于构建表皮和真皮的发光层，从而模拟人类皮肤的发光特性。通过调整材料的模量梯度（上层与下层模量比约为1.8:1），研究人员进一步优化了传感器的发光效率。这种梯度模量设计不仅提高了机械发光的强度，还增强了传感器对动态表面变形的适应能力。实验结果表明，这种结构能够显著提升传感器在不同环境条件下的稳定性和可靠性。

此外，为了实现多点触觉信号的同步检测和信号解耦，研究人员引入了双通道检测机制，并结合信号解耦算法。这种设计能够有效分离来自六个接触点的光信号，避免信号干扰，从而提高传感器的定位精度和数据处理能力。通过这些创新，BMPFAS传感器不仅能够实现对多个接触点的压力信号进行精确定位，还能够在不依赖外部光源的情况下，提供高灵敏度的触觉感知。

该传感器的设计具有重要的应用潜力，特别是在仿生触觉感知领域。例如，在盲文识别和医疗机器人中，这种高灵敏度、无需外部光源、具有良好的动态适应性的传感器可以显著提升设备的感知能力和用户体验。同时，其良好的生物相容性也使其适用于可穿戴健康监测设备，为未来智能医疗和人机交互提供了新的可能性。

从材料创新的角度来看，BMPFAS传感器采用了双组分无机发光材料体系，这一选择不仅提升了传感器的发光效率，还增强了其在复杂环境中的稳定性。通过在传感器的结构中引入梯度模量设计，研究人员进一步优化了机械刺激的传递和放大效果，使得传感器能够在动态表面变形时保持较高的灵敏度。这种材料与结构的结合，为未来的触觉传感技术提供了新的思路和方向。

在实验验证方面，研究人员通过一系列测试验证了BMPFAS传感器的性能。实验结果表明，该传感器在低压范围内（0–2 N）具有较高的灵敏度，并能够有效识别物体的硬度和表面纹理。此外，其在动态表面变形时表现出显著的发光强度增强效果，能够实现对多个接触点的压力信号进行精确定位。这些实验数据不仅证明了该传感器的有效性，还为后续的优化和应用提供了重要的参考。

从技术实现的角度来看，BMPFAS传感器的制造过程涉及多个步骤，包括材料的选择、结构的设计以及工艺的优化。首先，研究人员基于上述原理和确定的梯度模量组合（上层PDMS 10:1/下层PDMS 25:1），将PDMS前驱体和固化剂按照固定质量比混合，以获得PDMS基体。接着，将发光粉末逐渐加入PDMS系统中，以达到1:2的质量比。随后，引入了10 nm SiO?纳米颗粒，占复合材料总质量的2%，以确保材料的均匀分散并避免颗粒聚集。这些步骤的精确控制是实现传感器高性能的关键因素之一。

在性能测试方面，研究人员对BMPFAS传感器进行了详细的评估，包括灵敏度、响应时间、信号解耦能力和动态适应性等。测试结果表明，该传感器在多种机械刺激条件下均表现出良好的响应性能，并能够准确区分不同接触点的压力信号。此外，其在动态表面变形时的发光强度增强效果显著，进一步验证了其在复杂环境下的适用性。

综上所述，这项研究提出了一种创新的被动仿生多点定位光纤阵列传感器，通过模仿人类皮肤的微观结构，结合双组分无机发光材料和梯度模量设计，实现了对多个接触点的压力信号进行精确定位。该传感器无需外部光源，具有良好的生物相容性和动态适应性，为未来的智能机器人、可穿戴健康监测设备和人机交互系统提供了新的解决方案。同时，其设计思路也为光学触觉传感技术的发展提供了重要的参考和启示。