隨著人工智能的不斷發(fā)展，要求傳感器準(zhǔn)確度高以及穩(wěn)定性好，而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力。目前，大多數(shù)傳感器需要通過物理觸摸與環(huán)境接觸，以在操作過程中獲取信號。但是，這種方式由于不可避免的機械疲勞和退化，限制了其實用性和通用性。非接觸傳感器由于其具有較高的靈活性、舒適性、安全性等優(yōu)點，成為一個有應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域。然而，當(dāng)前非接觸式傳感器面臨的重要挑戰(zhàn)是傳感性能與穩(wěn)定性之間的矛盾。

為了解決這一問題，燕山大學(xué)的焦體峰教授、馬金銘副教授與中國科學(xué)院過程工程研究所邢蕊蕊研究員、南方科技大學(xué)程雨博士（現(xiàn)任南開大學(xué)特聘副研究員）合作，構(gòu)建了一種基于紅外光的非接觸式傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠距離、高精度的非接觸式傳感。設(shè)計了具有良好光熱性能和環(huán)境穩(wěn)定性的黑磷基復(fù)合有機凝膠作為活性材料。它可以通過不同圖案掩模接收近紅外（NIR）光形成的圖案，這些圖案由紅外熱像儀監(jiān)測，形成非接觸式傳感系統(tǒng)。所構(gòu)建的非接觸式傳感系統(tǒng)可實現(xiàn)對26個字母的準(zhǔn)確識別，準(zhǔn)確率達到99.4%。此外，即使是小尺寸的非接觸式傳感器也能在寬溫度范圍、長工作距離、不同電流強度和黑暗條件下保持高靈敏度和穩(wěn)定性，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。相關(guān)工作以“Near Infrared Light-Based Non-Contact Sensing System for Robotics Applications”發(fā)表在《Advanced Materials》，燕山大學(xué)博士研究生王冉為論文第一作者。

基于近紅外光的非接觸式傳感系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建

圖1.非接觸式傳感器系統(tǒng)的設(shè)計與結(jié)構(gòu)

本工作提出了一種將材料設(shè)計、便攜式設(shè)備和機器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合的新型智能紅外光熱非接觸式傳感系統(tǒng)。以水和甘油為溶劑，制備了一種基于丙烯酰胺（AM）、瓊脂糖（agar）和單寧酸修飾的黑磷納米片（TABP）的PAM-agar-TABP復(fù)合有機凝膠構(gòu)建非接觸傳感器，該有機水凝膠具有良好機械性能、環(huán)境穩(wěn)定性和光熱轉(zhuǎn)化性能（圖1A）。與傳統(tǒng)的視覺傳感器不同，我們的目標(biāo)是開發(fā)一種即使在黑暗環(huán)境中也能準(zhǔn)確識別圖案的非接觸式傳感系統(tǒng)，這就要求傳感系統(tǒng)的識別不能依賴于可見光。BP作為一種新型二維（2D）材料，具有優(yōu)異的近紅外吸收和光熱轉(zhuǎn)換效率，因此，PAM-agar-TABP有機凝膠在近紅外光（NIR）照射下溫度升高（圖1B）。結(jié)合機器學(xué)習(xí)，當(dāng)NIR光透過不同的圖案掩膜版時，機械手臂會做出相應(yīng)的動作和指令，特別是這種非接觸系統(tǒng)可以適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境并具有高穩(wěn)定性和高魯棒性（圖1C）。

圖2. PAM-agar-TABP40有機凝膠的光熱性能

如圖2所示，PAM-agar-TABP有機凝膠在808 nm的NIR光照射下，凝膠的溫度隨著NIR光的電流強度、光照時間和TABP含量的增加而升高。通過計算時間常數(shù)和最大穩(wěn)態(tài)溫度得到TABP的光熱轉(zhuǎn)化效率為57%。通過多次NIR光開/關(guān)循環(huán)，記錄了PAM-agar-TABP40有機凝膠的溫度變化，結(jié)果顯示峰值溫度和響應(yīng)時間保持良好，非接觸傳感器表現(xiàn)出了高光熱穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。此外，即使在120天后，非接觸傳感器在NIR光下所達到的溫度仍能保持原來的90%左右，進一步證明了非接觸傳感器的高穩(wěn)定性。

圖3. 基于機器學(xué)習(xí)和NIR的高精度模式識別數(shù)據(jù)處理

使用2DCNN模型，機器學(xué)習(xí)結(jié)果顯示非接觸傳感器對26個字母的識別準(zhǔn)確率為99.4%。魯棒性是智能傳感系統(tǒng)最重要的特性之一。為了驗證非接觸式傳感器在不同條件下都能保持較高的識別準(zhǔn)確率，以“YANSHAN UNIVERSITY”11個字母為主要研究對象進行數(shù)據(jù)采集。結(jié)果顯示，即使非接觸傳感器的尺寸很小（2.5 cm×2.5 cm），其在不同的NIR光強度（4-10 A）、不同光源與樣品間距離（10-40 cm）、不同環(huán)境溫度（?25-60 °C）以及黑暗條件下均能保持較高的識別準(zhǔn)確率，證明了該系統(tǒng)具有良好的魯棒性（圖3）。

圖4. 非接觸式傳感器的應(yīng)用

在這項工作中，基于光熱轉(zhuǎn)換特性的復(fù)合有機凝膠與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合，有望構(gòu)建一個可應(yīng)用于人機交互的非接觸式傳感系統(tǒng)（圖4）。由近紅外激光器和紅外熱成像儀組成數(shù)據(jù)采集裝置，通過機器學(xué)習(xí)對采集到的數(shù)據(jù)進行進一步處理，完成學(xué)習(xí)過程和識別過程，可以根據(jù)不同的指令控制機械手并執(zhí)行相應(yīng)的動作。機械手不僅可以完成簡單的手勢，還可以實現(xiàn)對各種物品的抓取和傳遞。當(dāng)機器人被用作執(zhí)行對象時，非接觸傳感系統(tǒng)預(yù)期可以擴展到執(zhí)行更復(fù)雜的活動。由于非接觸式傳感系統(tǒng)具有較高的環(huán)境穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和光熱穩(wěn)定性，同時在黑暗環(huán)境下仍具有較高的識別精度，因此可以應(yīng)用于一些極其惡劣的環(huán)境中執(zhí)行特殊任務(wù)。

總結(jié)

與傳統(tǒng)的接觸式傳感器相比，非接觸式傳感器由于其安全性和靈活性越來越受到人們的關(guān)注。然而，非接觸傳感器面臨工作距離和外部條件變化引起的穩(wěn)定性和精度等問題，限制了其廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計了一種基于NIR的智能非接觸式傳感系統(tǒng)，其可以實現(xiàn)對26個字母的準(zhǔn)確識別，準(zhǔn)確率達到99.4%。在較寬的溫度范圍（?25-60 °C）、工作距離（10 -40 cm）、電流強度（4-10 A）和黑暗條件下，傳感系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性均不受影響，具有良好的魯棒性。特別是，與大多數(shù)非接觸式傳感器的工作距離相比，我們提出的傳感器系統(tǒng)即使在傳感器小尺寸（2.5 cm×2.5 cm）下，40 cm的工作距離也具有100%的準(zhǔn)確性。綜上所述，所設(shè)計的非接觸式傳感系統(tǒng)將在動態(tài)手勢識別、實時跟蹤、觸覺增強等方面實現(xiàn)許多有前景的應(yīng)用。

來源：高分子科學(xué)前沿

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