MIT工程师打造柔软3D形状感知皮肤，赋能游戏与VR

据 MIT News 报道，MIT 工程师研发出一种柔软、可佩戴且具有自追踪运动功能形状的感知薄膜，该器件在游戏控制、虚拟现实以及物理治疗等领域具有应用潜力。这项技术利用光纤追踪薄膜自身的三维形变，实验室测试中误差保持在半厘米以内。团队成员、MIT 机械工程专业研究生余起帆（Qifan Yu）将刚性传感器的误差估算为 1 到 2 厘米，并称这一结果“至少与现有技术持平”。即使受损，该薄膜仍能工作，不过其中的光纤较理想用于服装的规格仍偏粗。

这一进展源于近期发表于 Advanced Intelligent Systems 期刊的论文“基于光波导阵列实现全软质多模态形状感知（Toward fully soft and multifunctional shape sensing via optical waveguide arrays）”。文章指出，波导能对两个方向的弯曲做出响应，即“双向”，并通过阵列布局来识别形状。多根光纤的响应叠加，意味着所需传感元件更少，同时也提升了抗损伤能力。由于光纤能响应压力，因此可感知外部作用力，例如在物理治疗演示中检测前臂受到的按压。

通常情况下，普通光纤由透明纤芯和包在外的全反射包层组成，光纤弯曲时，到达远端的光通量会减少；通过测量光输出，即可推算弯曲程度。MIT 在此处的改进包括使用柔性橡胶纤芯替代玻璃，并采用染黑的包层。一方表面被故意粗化处理，使得光纤向该侧或相反方向弯曲时，光损耗量不同。这种设计实现了方向感知。

多根此类光纤被嵌入硅胶薄膜中，每根光纤一端连接 LED，另一端连接光传感器。传感表面完全柔软，但整个薄膜不具备整体拉伸性。外部电路板负责数据采集，通过算法将其转换为完整薄膜及三维形状。14 条波导被分为上下两层，每层 7 条，呈之字形布置在 16 x 16 x 0.5 厘米的硅胶薄膜内，每条长 160 毫米。电子部件位于边缘，包括通过 I2C 接口向微控制器传输数据的模数转换器（ADC）。重建过程在 MATLAB 中以每秒约三次的速度运行，该速率涵盖了传感器采样、数据记录及绘图。

为了确定波导的排布方式，团队先用仿真对比了不同的光纤布局方案：对已知形状生成每根光纤的光输出，把读数送入重建算法估算出 3D 形状，再将估算结果与已知形状做比较。其中一种锯齿形间距排布的贴合度最高。仿真中，每层放置 3 到 20 根波导、角度范围 0 到 35 度，针对六种目标形状各做了 30 次试验并加入 10% 的噪声。研究人员发现，将波导倾斜摆放比单纯增加数量更能提升精度。

团队还测试了系统的容错能力：剪断或断开几根光纤后，其余光纤仍能重建整体形状。仿真结果显示，在 14 根波导中最多有 3 根失效时，误差仍保持在 0.3 cm 以内；失效达到 5 根及以上时，误差升至 1 cm 左右或更高。

随后，团队按照仿真结论实际制作了一张传感片，并用对折方式进行了测试。精度方面，将传感片覆盖在三个已知形状的 3D 打印模具上，以真实表面与重建表面之间的均方根距离作为指标，结果分别为 0.37、0.28 和 0.45 cm。力感知部分目前没有标定的力值读数，无法反映按压力度，且该检测与形状模式是分开运行的。各项可穿戴演示均由一位作者在自己身上完成，腕部和肘部角度采用了更简单的缩放方法，因为这些关节的拉伸会干扰形状算法，而文中未提及佩戴舒适度。