麻省理工学院工程师团队开发出一种柔软的形状感知薄片，这种薄片能在弯曲和扭转过程中以数字方式重建自身形态。
该传感器的原理与某些动作捕捉服相似，后者通过追踪人体物理动作来驱动虚拟形象。那些设计使用的是缝在特定位置的刚性传感器。
与之不同的是，该团队的新设计使用了多条柔软的光纤，这些光纤以曲折方式贯穿一张柔软且可拉伸的薄片。当薄片发生弯曲时，光纤也会随之弯曲，从而改变光在其中传播的模式。研究人员开发了一种算法，能够实时解析光线弯曲模式，生成与薄片运动方式一致的数字图像。团队还展示了该设计具备抗损坏能力：即使部分光纤被切断或断开连接，剩余光纤仍能准确重建薄片的整体形态。
麻省理工学院机械工程研究生余启凡（Qifan Yu）表示："我们这套方案面向的是完全柔软且可拉伸的感知表面，因此在与人体或柔软环境交互时可能更加安全。"
该团队设想，这种新设计可以制成一种柔软贴合的服装，用户穿着后可以舒适地通过身体动作操控视频游戏角色或远程操作机器人。该薄片还可用于物理治疗场景，可以包裹在患者的腿部或手臂上，用来追踪并记录每次治疗期间的活动能力和运动范围。
余启凡说："例如在物理治疗中，经常需要收集患者在康复过程中手臂运动和伸展的数据。表面形状感知在这方面可能会非常有用。"
余启凡与同事在《先进智能系统》期刊发表的一篇研究论文中介绍了这一设计。该研究的其他合著者包括麻省理工学院研究生妮娜·曹（Nina Cao）以及机械工程助理教授凯特琳·贝克尔（Kaitlyn Becker）。
光的形态
该团队的形状感知设计是对标准光纤的一种改进。光纤也被称为波导，其设计目的是高效地引导光线穿过纤维。光纤由透明材料（如玻璃）制成的芯层组成，外部包裹着深色不透光的包层。当光线从光纤一端射入时，深色包层会将光线限制在玻璃芯层内，而芯层本身极为光滑，使光线能以近乎完美的效率直线穿过光纤。波导被用于光纤电缆中，实现超高速、高效的数据传输和通信。
科学家们也曾尝试将波导用作简单的形状传感器：当光纤弯曲时，会影响能够完全穿透的光量。光纤弯曲程度越大，另一端射出的光就越少。因此，射出的光量可以用来衡量光纤的弯曲程度。借助这一原理，光纤已被用于感知简单的曲率变化。
余启凡表示："人们已经利用波导来感知线状物体的形状，并将其应用于机械臂，以观察其弯曲状态。但这些技术尚未被应用于表面形状感知，即重建一个表面的三维形态。而这正是我们在这项研究中尝试实现的目标。"
光纤的改进
在新设计中，研究人员自行制造了带有若干改进的光纤。与传统波导类似，他们的光纤也由透明芯层和深色包层构成。不同的是，他们没有使用硬质玻璃，而是采用了透明柔软的橡胶材料作为芯层，并使用染成黑色的同类橡胶材料作为包层。
研究人员没有让芯层保持完全光滑，而是故意将其中一侧打磨得粗糙。他们推测，如果光纤的一侧比另一侧更粗糙，那么当光纤朝一个方向弯曲时，穿过的光线会在粗糙表面上发生散射，从而影响最终从另一端射出的总光量；而如果光纤以相同角度朝光滑一侧弯曲，穿透的光量则会有所不同。按照这一思路，这种半粗糙化的光纤应当能够实现双向形状感知。
团队制造了多条双向光纤，并尝试将其嵌入一张柔软的硅胶薄片中，排列方式使得这些光纤能够在薄片弯曲和扭转时重建其形态。为此，研究人员对嵌有不同光纤排列方式的薄片进行了模拟，排列方式从简单的棋盘格状到交叉曲折排列不等。
他们模拟了多种弯曲或扭转薄片的方式，并测量了每种光纤配置下薄片的光输出情况。研究人员将这些光测量数据转换为每根光纤弯曲程度的估计值，并将其组合起来构建出薄片的整体三维形态，再与原始模拟的薄片形态进行比对。通过这些模拟，他们发现某种特定间距的曲折光纤排列方式最接近还原薄片的原始形态。
随后，研究人员制作出一张嵌有相同曲折光纤排列方式的形状感知薄片。他们在每根光纤的一端安装了一个LED灯，另一端安装了光传感器，并将其连接到外部电路板，用于收集和放大光信号测量数据。他们还开发了一种算法，能够自动将光纤的测量数据转换为薄片整体三维形态的重建结果。
在实验中，研究人员展示了该算法能够几乎实时地流畴生成薄片的虚拟重建图像，与此同时研究人员不断将薄片扭转成不同形态。例如，当他们将薄片沿对角线折叠，再向相反方向再次折叠时，虚拟孪生体几乎能实时模仿这些形态变化。
他们还将薄片放置在不同的3D打印模具中，以精确测量数字重建薄片与覆盖在每个模具上的实体薄片之间的差异。在这些测试中，他们发现这种柔软感知薄片比其他设计更为精确。
余启凡表示："我们使用一种衡量实际表面与重建表面之间距离的指标，由此发现我们的误差小于0.4厘米。而现有基于刚性传感器的设计误差约为1到2厘米。因此这个结果相当不错，至少与现有技术水平相当。"
该团队将进一步优化这种感知薄片，首先是减薄其厚度。目前光纤厚度为1毫米，而其他制造工艺可以将其减薄至数十微米，比一根头发丝还细。接下来，研究人员设想将更多光纤嵌入到一件服装中，以感知形态和外形的细微变化，例如用于评估患者在物理治疗中的表现。
贝克尔表示："我们希望打造能够增强物理治疗师工作能力的工具，帮助他们追踪并量化患者随时间推移的康复进展。这些感知薄片可以帮助物理治疗师更精确地回忆和比较某次评估的结果，与两个月前、数百次就诊之前的情况进行对比。"
这项研究部分得到了MathWorks公司的支持。
Q&A
Q1：形状感知薄片是什么？它有什么作用？
A：形状感知薄片是麻省理工学院开发的一种柔软可拉伸传感器，内部嵌有曲折排列的光纤。当薄片弯曲或扭转时，光纤传输的光线模式会随之改变，系统通过算法实时重建薄片的三维形态，可用于动作捕捉、游戏控制和远程机器人操作等场景。
Q2：形状感知薄片在医疗领域能用来做什么？
A：这种薄片可以包裹在患者的手臂或腿部，用于追踪和记录物理治疗过程中的活动能力和运动范围。它能帮助物理治疗师更精确地量化和比较患者在不同治疗阶段的康复进展。
Q3：形状感知薄片的精度如何？与现有技术相比怎么样？
A：研究团队测试发现，该薄片重建形态与实际表面之间的误差小于0.4厘米，而现有基于刚性传感器的技术误差通常在1到2厘米之间，说明这种柔性光纤方案在精度上至少与现有技术相当，甚至更优。
