MIT研發超柔軟感知薄片！誤差不到0.5公分、復健遊戲都能用

麻省理工學院（MIT）工程師研發出一款柔軟可穿戴的形狀感知薄片，能夠自主追蹤自身形變，可用於遊戲控制、虛擬實境以及物理復健等場景。這項技術利用光纖追蹤薄片本身的三維形態，實驗室測試中誤差控制在 0.5 公分以內。

團隊成員、MIT 機械工程研究生余啟凡（Qifan Yu，音譯）表示，傳統剛性感測器方案誤差大約在 1 至 2 公分，該成果「至少和現有技術處於同一水準」。薄片即便局部受損依舊可以工作，只是目前光纖的粗細程度還達不到服裝應用的理想狀態。

用光纖彎曲損耗推算形狀，取代玻璃纖芯

這項研究對應的論文《透過光波導陣列實現全柔性多功能形狀感知》近期發表於《Advanced Intelligent Systems》期刊。光波導可以感知雙向彎曲，陣列排布設計用於識別各類形態。光纖信號組合採集的方式減少了所需感測元件數量，同時提升抗毀損能力。光纖還能感知壓力，因此可以檢測外力。在復健演示中，它可以識別按壓在前臂上的動作。

一般光纖由透光纖芯與包裹纖芯的包層構成，光纖彎曲時抵達遠端的光通量會下降；透過測量輸出光強，就可以推算彎曲程度。MIT 對此做了改進：使用柔性橡膠纖芯取代玻璃纖芯，並採用黑色染料包層。光纖一側經過刻意粗糙化處理，當光纖向該側或另一側彎曲時，光損耗量各不相同，由此實現方向感知。

大量這類光纖被嵌入矽膠薄片，每根光纖一端搭載 LED 光源，另一端配備光感測器。感測本體完全柔軟，但整片薄片整體不具備拉伸性。外置電路板負責採集數據，演算法將數據還原出薄片完整三維外形。這套原型包含 14 根波導，每根長 160 毫米，分為兩層、每層 7 根，以鋸齒形排布在一塊 16×16×0.5 公分的矽膠片內。三維重建在 MATLAB 中執行，每秒大約完成 3 次。

抗損測試與實體驗證：斷幾根光纖仍能用

為確定最優布局，團隊先對不同波導排布方案進行模擬：給定已知形態，模擬每根光纖對應的光輸出，再將讀數送入重建演算法估算三維形狀，對比估算結果與真實形狀。研究人員發現，調整波導傾斜角度對精度的提升效果，優於單純增加波導數量。

抗毀損測試中，切斷或斷開部分光纖後，剩餘光纖依舊可以重建整體外形。模擬顯示，14 根波導中最多 3 根失效時，誤差維持在 0.3 公分以內；當失效數量達到 5 根及以上，誤差上升至約 1 公分甚至更高。

研究團隊依據模擬結果製作實體薄片，並進行對角折彎測試。精度測試將薄片鋪在三個已知外形的 3D 列印模具上，評估指標為真實曲面與重建曲面之間的均方根距離，結果分別是 0.37 公分、0.28 公分和 0.45 公分。壓力感知模組目前無法輸出經過校準的壓力數值，且壓力檢測和形狀感知兩套模式相互獨立。所有可穿戴演示均由論文作者在自身身體上完成，論文未提及穿戴舒適度。

下一步：光纖做到頭髮絲等級，邁向智慧衣物

余啟凡表示，這套系統面向全柔性感測面，在人體周邊使用時安全性更高。論文共同作者、MIT 機械工程助理教授凱特琳·貝克（Kaitlyn Becker）稱，團隊希望開發工具，幫助物理治療師長期追蹤、量化患者復健進展，實現不同治療階段之間更精準的對比。除此之外，該技術還可在虛擬實境中復刻人體動作、用於機器人遠端操控，或是應用於軟體機器人。

更細的光纖能夠拓寬適用場景，因此研究人員計畫優先減薄薄片。當前 1 毫米粗的光纖未來有望做到幾十微米，細於人類髮絲。增加光纖數量之後，有望打造智慧衣物。團隊還提出後續研究方向：替換 MATLAB 通用求解器，使用運算速度更快的方案；增加波導層數、縮小波導尺寸，在更薄的薄片上獲得更高細節；開發可以同時測量壓力與形態的薄片；以及研發可拉伸電子器件。

這項技術目前仍是實驗室原型，距離走進日常穿戴還有一段距離，但用光纖本身做感測元件的思路，為柔性傳感提供了一條不同於電子感測器的路徑。