《自然通讯》最近的一项研究介绍了一种全光学机械传感器，其采用薄壁玻璃微泡，其灵感来自于机械敏感的毛发状感器 (MSHS)。该设备能够检测 0.9 μN 和 70 nm 范围内的力和多向位移，展示了人工感知和机械传导方面的进步。其独特的设计表明机器人技术中实时、定向机械感觉功能的应用前景广阔。
用于环境感知的光学传感
人工传感利用光学和光子学来感知环境，包括压力、视觉信息、检测分子等。由于低损耗、非接触式操作和高灵敏度等特性，光学传感设备通常优于电子设备。此外，这些系统有助于检测人工系统和自然中的振动和力，因为它们提供机械感知。
自然界中的生物，如哺乳动物、节肢动物和鱼类，都拥有 MSHS，这有助于它们感知环境中的声音和机械信号。MSHS 由感觉神经元和微毛触角组成，帮助它们感知来自各个方向的振动和力。因此，这种生物框架对于构建能够感知多个方向机械信号的人工系统非常有价值。
虽然大多数仿生或生物 MSHS 利用传统装置(例如微毛和电极阵列)将机械刺激转换为电子信号，但光学机械传感器微毛提供了潜在的优势，例如增强的性能、简化的设计和改进的抗干扰能力。通过在玻璃微泡谐振器上采用微泡结构和集成光学器件，简单的全光学配置可以有效地转换多向声学和机械信号。
光子机械传感器的制造
本研究利用薄壁玻璃微泡集成全光学机械传感器，将 MSHS 模拟为灵活的回音壁模式谐振器。使用特定技术，在光纤熔接机的帮助下，使用熔融石英生产薄壁微泡。
随后，它通过五维平台小心定位，具有光纤锥度并覆盖有低折射率的聚合物基体。这种封闭方法有助于提高系统的稳定性，模拟自然MSHS的功能和结构特征，并减少外部干扰。传感实验在湿度 40%、温度 22°C 的室内进行。
结果和观察
该传感器基于光学共振工作，有效检测压力和触摸。微毛组件选用半径为84 μm、壁厚为8 μm的熔融石英毛细管，而机光微泡则选用半径为185 μm、壁厚为1.5 μm的微泡。转导。
使用的聚合物基体是MY-133-V2000，弹性模量为5.2 MPa，泊松比为0.41。这些选择是根据实际制造条件和有限元法 (FEM) 分析结果得出的。
微毛的径向平面对机械传感器表现出良好的32.31 dB方向性，最大位移和力灵敏度分别为0.052 pm μm -1和3.994 pm mN -1。微毛轴向上的力和位移灵敏度分别为0.986 pm mN -1和1.570 pm μm -1。
机械传感器承受海水和温度等各种来源干扰的能力得到了验证。该机械传感器表现出出色的温度位移解耦能力，表明其在全集成、全光学、多功能感知系统中的潜在应用。
非周期性气流和水滴是许多快速识别的刺激之一，并且获得了有关它们的频率、方向、强度以及脉冲和峰值的独特频谱轮廓的详细信息。全光学机械传感器被整合到一个类似猫的四足机器人中，以帮助进一步展示其作为定向感知、实时机械感应胡须的能力。
机器人移动时传感器始终如一地检测到障碍物;它不受抖动影响，并且不会受到传感障碍物的干扰。与大多数报道的电子晶须相比，新型光子晶须具有成本效益，并且具有可比甚至更快的反应和恢复时间。
结论
总之，这项研究有效地证明了利用微毛模拟 MSHS 的仿生全光学机械传感器的概念验证。该集成装置包括充当毛发探针的玻璃微毛发、促进倏逝耦合的光纤锥体以及用于机械光转换的薄壁玻璃微泡WGM(回音壁模式)谐振器。
与生物同类传感器和其他人造电子毛发传感器相比，光子机械传感器微毛发具有更简单的配置。这种简单性源于其机械灵活性和异构 3D 集成微光学器件。因此，它可以有效地检测一系列波形、方向和驱动频率的振动、力和位移。
研究结果强调，制造的机械传感器是多种应用的有前途的候选者，包括振动检测系统、AR/VR 技术、机器人感知系统、机器人和虚拟宇宙。未来的工作以原型配置为基础，可以结合创新的 3D 自上而下纳米/微米制造技术，以进一步增强其功能。
