纳米光栅增强的柔性波导用于先进触觉感知

摘要

基于光波导特性与柔性光学材料，本文提出一种面向触觉感知的柔性可拉伸光波导结构。其感测原理依赖机械变形导致的输出光损耗，克服了传统光波导器件无法贴合不规则表面的缺陷。该波导采用纳米复制模塑法制备，已应用于触觉感知领域的压力与应变测量。实验表明，柔性可拉伸光波导的应变检测范围为 0–12.5%，外部力检测范围为 0–23 × 10⁻³ N。

引言

光波导是引导光波传输的结构。传统刚性光波导无法满足柔性电子与软体机器人的需求。柔性可拉伸器件是机器人触觉感知系统的关键部分，具备高柔性、可拉伸性、适应性、灵敏度、生物相容性及抗电磁干扰等优势。前人已利用 Ti₃C₂/MC 生物复合膜、丝素-MXene 薜膜等实现高性能压力传感；也有利用柔性生物模仿红外检测系统实现高对比度成像。基于纳米光栅结构的柔性可拉伸光波导可制成触觉感知器件，广泛应用于可穿戴电子与机器人领域。Li 等人利用可弯曲硫系玻璃制备柔性波导，采用多神经轴理论优化应变分布；也有设计蛇形玻璃波导实现 42% 拉伸应变。Samusjew 等人利用喷墨打印制备光聚合柔性波导，拉伸率达 120%。Andreas 等人采用聚苯乙烯覆盖层与氟化聚合物传输层制备超高拉伸弹塑性波导，拉伸强度超 300%。Alexander 等人利用全息技术与 UV 模板固化法在掺苯酮光敏分子的 PDMS 上制备柔性衍射光栅。尽管已有大量柔性或可拉伸光波导研究，但在机器人触觉感知领域，兼具柔性与可拉伸性的光波导研究仍较少。

本文设计并采用纳米复制模塑工艺制备了一种新型柔性可拉伸光波导，作为重要的触觉感知器件，可实现面向可穿戴与医疗应用的压力与应变感知。波导在硅主晶圆上制备，以 PDMS 为基底，利用纳米光栅主晶圆形成输入/输出耦合器的光栅结构。制备过程中所有相关参数均经分析计算。制备完成的波导已用于触觉感知的压力与应变测量。

方法

柔性可拉伸波导原理

柔性可拉伸光波导传感器中，波导层折射率 n_waveguide 需大于环境折射率 n_external。本文选用 PDMS（折射率 1.41）作为波导层，高于空气折射率 1.0，可构成简单光波导。触觉感知要求器件能检测环境压力、应变等物理参数。当器件受外力作用发生形变时，输出光功率强度与机械扰动内在相关。通过计算输出光强变化，可定量测量外部物理量变化。

图 1a 示意了柔性可拉伸光波导传感器件结构：1 柔性可拉伸光波导薄膜；2 周期性纳米光栅深度；3 光波导长度；4 纳米光栅周期；5 纳米光栅宽度；6 光栅耦合输入；7 光栅耦合输出。光栅耦合由输入区（6）和输出区（7）组成。传感原理如图 1b 所示：光经输入光栅耦合进入波导，传输距离 L 后经输出光栅耦合输出。设初始输出光强为 I₀，受外部压力 F 或应变 S 导致波导变形，输出光强变化 ΔI₀ 与 F、S 分别存在函数关系（公式 2、3）。

仿真结果与分析

采用 ABAQUS 有限元软件进行静力学仿真。模型参数：光栅周期 850 nm，占空比 0.5，材料厚度 2 mm，光栅高度 200 μm，杨氏模量 1 MPa，泊松比 0.48，PDMS 密度 0.98 g/cm³。施加水平方向 10% 拉伸位移，其他方向固定。仿真结果（图 2）显示：应变主要分布于光栅层结构下部，两侧对称均匀；应力集中于光栅与块体连接处，最大应力 < 0.13 MPa。说明基于 PDMS 的光栅结构波导具有优异拉伸性能，支持应变感测功能的稳定性。

为验证光在纳米光栅波导中的传输状态，采用 FDTD 电磁仿真软件分析。设计对称结构，选取一端光栅耦合器为研究对象，光栅占空比 0.5，周期 850 nm，高度 200 nm。高斯红光以 13.54° 入射角耦合进入波导，大部分光束可耦合入波导并沿水平方向传播，最终耦合输出（图 3），验证了光耦合传输的可行性。

制备

柔性可拉伸光波导的输入/输出模式为光栅耦合，采用纳米复制模塑法，以 Si 主光栅模板制备。可用柔性光学材料包括 PDMS、SU8、PMMA 及可弯曲硫系玻璃。制备流程：

1. 主晶圆模板：纳米光栅模板周期 850 nm，填充因子 0.5（LightSmyth Technologies）。
2. 表面改性：Si 模板浸泡疏水硅烷 15 min，经 IPA 清洗、氮气吹干，使表面由亲水转为疏水。
3. 牺牲层：10% PVA 溶液旋涂于 4 英寸 Si 晶圆，75 ℃ 烘干 30 min。
4. 光栅波导模板：将两个 855 nm Si 光栅置于 PVA 牺牲层上，保证取向一致、光栅朝上，并控制相对距离。
5. 涂覆未固化 PDMS：PDMS 与固化剂按 10:1 混合均匀，真空脱泡 10 min，旋涂于光栅波导模板。
6. 剥离 PDMS 波导：将固化后的波导浸水 10 h 溶解 PVA，取出剥离硅光栅模板（图 4）。

波导结构尺寸可调：可通过缩小 Si 模板尺寸或减小光栅传输层距离，根据封装需求自适应设计制造。

纳米光栅结构由大规模复制模塑制得。Si 光栅模板周期 850 nm，占空比 0.5，高度 200 nm（图 5a）。AFM 图像（图 5b）显示纳米光栅结构从 Si 模板成功转移至 PDMS 基底，一致性良好，证明纳米复制模塑法满足制备要求。

结果与讨论

触觉感知实验平台

搭建柔性触觉感知实验平台（图 6a），主要包括：632.8 nm 激光光源；光源位置与姿态调节装置；由游标卡尺与非标准固定件组成的拉伸测量装置；光功率计 PM100D（Thorlabs，检测范围 500 nW–500 mW）用于检测输出光强变化，进而计算压力与应变。平台成本低、兼容性好，应变精度达 0.1%（游标卡尺精度 0.02 mm），光电探测器分辨率 10 pW。制备的波导如图 6b 所示，彩色方块区为输入/输出端，中间透明区为传输区，彩色效应源于光栅表面光衍射。

触觉感知实验

压力与应变是机器人触觉传感器与外界交互常涉及的两个物理量。实测方法：稳定光束以固定角度经输入光栅耦合进入波导，另一端光电探测器收集输出光。施加外力导致波导结构变化，输出光强衰减，通过分析衰减量精确测量外力；同理可测量应变。

压力测试中，波导由两游标卡尺滑动头固定，632.8 nm 激光以最佳角度耦合入射，波导中部施加渐增压力，记录压力值与光强数据。结果（图 7a）显示：输出光强随压力增加而降低，两者呈线性相关，压力感测范围 0–25 × 10⁻³ N。

应变测试先预拉伸波导使其水平，记录初始长度 L₀，再由夹持机构拉伸，记录长度 L，应变 S = (L–L₀)/L₀（公式 4）。结果（图 7b）显示：输出光强随应变增加而降低，呈线性相关，应变感测范围 0–12.5%，精度 0.1%。

感测系统由柔性波导与光功率计组成，光在 PDMS 中传输延迟极低可忽略，响应恢复速度主要取决于光功率计（响应率 25 Hz），响应时间 40 ms。循环稳定性实验显示：重复加载卸载 3000 余次性能稳定；若 PDMS 掺入 PAAm，可耐受 30,000 循环。

当前柔性可拉伸光学器件制备面临挑战：透明柔性光学材料有限；需开发基于柔性光学材料的微纳结构快速原型制造技术。本文波导为原创设计，PDMS 作为核心层会增加波导损耗。近期提出多种新型柔性光学材料（如纤维素纳米晶/水性聚氨酯乳液光子纸），未来可改进波导结构。

结论

柔性可拉伸波导适用于触觉感知、医疗健康与柔性电子领域。本文利用硅光栅模板与纳米复制模塑法将纳米光栅结构转移至柔性光学材料，制备工艺具备快速成型、低成本、易制备优势。通过牺牲层制备、硅光栅模板制备、疏水处理及柔性材料制备技术的组合，开发出最优制备工艺。器件应变检测范围 0–12.5%，外力检测范围 0–23 × 10⁻³ N。相比传统刚性波导，该器件具备柔性、可拉伸性、易贴合曲面特性。PDMS 可将波导拉伸性能提升至 50% 以上，能充分发挥柔性可拉伸波导优势，精准测量外部物理量（压力、应变等）引起的输出光功率变化。

数据与材料可用性

所有数据无限制公开。

缩略语

IPA:

异丙醇

DI water:

去离子水

FDTD:

有限差分时域法

PDMS:

聚二甲基硅氧烷