​​雙光束激光納米直寫技術(shù)—智能傳感的研究

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

據(jù)悉,，理解視覺、聽覺,、觸覺,、嗅覺和味覺這五種感官仍然是神經(jīng)科學(xué)的前沿領(lǐng)域,。之江實驗室的科學(xué)家們正在開發(fā)一系列低成本、節(jié)能的傳感器,，以及先進的智能傳感技術(shù),。

之江實驗室成立于2017年，坐落于杭州城西科創(chuàng)大走廊核心地帶,，是浙江省委,、省政府深入實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、探索新型舉國體制浙江路徑的重大科技創(chuàng)新平臺,。2021年,，之江實驗室納入國家實驗室體系。實驗室以“打造國家戰(zhàn)略科技力量”為目標(biāo),，由浙江省人民政府主導(dǎo)舉辦,，實行“一體兩核多點”的運行架構(gòu)，主攻智能感知,、人工智能,、智能網(wǎng)絡(luò)、智能計算和智能系統(tǒng)五大科研方向,，重點開展前沿基礎(chǔ)研究,、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和核心系統(tǒng)研發(fā)，建設(shè)大型科技基礎(chǔ)設(shè)施和重大科研平臺,，搶占支撐未來智慧社會發(fā)展的智能計算戰(zhàn)略高點,。

劉教授、鄺教授及其團隊成員開發(fā)了用于傳感器打印的高通量3D納米分辨率激光直寫機

智能傳感
之江實驗室正在進行將類似人類的感知集成到傳感設(shè)備中的新型傳感器技術(shù)和信號處理的先進結(jié)合,。

理解視覺,、聽覺,、觸覺,、嗅覺和味覺這五種感官仍然是神經(jīng)科學(xué)的前沿領(lǐng)域。為了探索這些過程,，研究人員經(jīng)常嘗試模擬自然,。

例如，20世紀(jì)50年代,，康奈爾大學(xué)(Cornell University)已故心理學(xué)家弗蘭克·羅森布拉特(Frank Rosenblatt)模仿蒼蠅眼睛中的布線和處理過程,，制造了一個充滿迷宮般的電線和電子設(shè)備的設(shè)備，稱為感知器,。像這樣的研究,，現(xiàn)在由先進的計算提供動力，正在創(chuàng)造一個名為智能傳感的新研究領(lǐng)域,，許多科學(xué)家在中國杭州的之江實驗室探索這個領(lǐng)域,。

之江實驗室智能傳感研究所所長劉旭說:“智能傳感是對人類感知周圍物體和環(huán)境的感知模式的模仿和近似,。“人類的視覺,、聽覺,、嗅覺、味覺和觸覺都有自己的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),，它們都以特定的方式計算,。它不僅是機械的感知過程，而且是物理感知,、神經(jīng)信息處理和大腦皮層識別的結(jié)合,，形成了人類對周圍環(huán)境的認(rèn)知�,！�

制造更智能的傳感器
智能傳感的進步很大程度上依賴于更先進的傳感器,，比如由傳統(tǒng)數(shù)字傳感器與信號處理電路和計算存儲器結(jié)合而成的所謂智能傳感器�,！斑@些類型的傳感器將很快進入市場,，但它們只能被視為智能傳感器的初步類型，”劉教授說,，因為更智能的傳感器還在開發(fā)中,。

之江實驗室的科學(xué)家們正在開發(fā)一系列低成本、節(jié)能的傳感器,，以及先進的智能傳感技術(shù),。“在之江實驗室強大的人工智能研究基礎(chǔ)上,，我們將專注于開發(fā)模仿人類五感的智能視覺,、聽覺、嗅覺,、味覺和觸覺傳感器,，這可以提供變革性的技術(shù)和設(shè)備，如未來的人形機器人,、聚合媒體技術(shù)和新的人機交互界面,。此外，這些傳感器將推動信息技術(shù)的發(fā)展達(dá)到更高的水平,，”劉教授解釋道,。

例如，這些科學(xué)家模仿聽覺感知,，在顯微鏡中集成了一個20 MHz - 120 MHz的超聲波換能器,，可以對1厘米深的樣品進行成像，分辨率小于10 μm,。在視覺傳感領(lǐng)域,，之江實驗室的科學(xué)家們正在研究應(yīng)用于體內(nèi)亞細(xì)胞病理學(xué)研究和多器官診斷和治療的技術(shù),。最后，在努力復(fù)制觸覺的過程中,，這些科學(xué)家還開發(fā)了一種基于微納米纖維的智能觸覺傳感系統(tǒng),，該系統(tǒng)可以對壓力、滑動,、溫度,、濕度和角度做出準(zhǔn)確的反應(yīng)。

制造更好的傳感器
雖然承認(rèn)這些突破刺激了現(xiàn)有傳感器的發(fā)展,，如電荷耦合器件(ccd)和互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)芯片,，但研究人員可以相信，未來的傳感器將更加先進,。
劉教授說:“我們把目前的CCD和CMOS圖像傳感器稱為工業(yè)時代的視覺傳感器,，我們希望開發(fā)新型的視覺、嗅覺,、味覺和觸覺傳感器,，我們將其定義為仿生智能傳感器�,！薄耙虼�,，我們設(shè)計并建造了之江實驗室智能感知設(shè)施，這是一個用于智能傳感器研發(fā)的大型科技基礎(chǔ)設(shè)施,�,！�
這一研發(fā)設(shè)施將使之江實驗室的科學(xué)家能夠在智能傳感的各個方面開展工作。劉教授解釋道:“構(gòu)建全鏈智能傳感器研發(fā)平臺,，能夠?qū)⑽甯袀鞲胁牧�,、大�?guī)模陣列高速讀出電路、基于類人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能芯片等進行融合,，支持類人五感器件的創(chuàng)造,，形成新的智能傳感系統(tǒng)，為更高效,、更穩(wěn)健的機器智能服務(wù),。”
科研成果

高通量光學(xué)納米光刻與成像裝置

以雙光束激光納米直寫技術(shù)為核心,，突破激光直寫突破衍射極限、復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)大面積制備及多通道高速成像這三個科學(xué)問題,，已完成單路激光直寫系統(tǒng)光學(xué)調(diào)制模塊的系統(tǒng)搭建,，實現(xiàn)了亞50nm的結(jié)構(gòu)刻寫精度與25nm的懸浮線刻寫，在微納加工與制造領(lǐng)域達(dá)到國際先進水平,，為我國在傳感器領(lǐng)域支撐生命科學(xué),、材料科學(xué)等領(lǐng)域科學(xué)問題的研究提供有效的儀器和設(shè)備平臺,。

基于光動量效應(yīng)的極弱力與加速度測量科學(xué)裝置

面向非牛頓引力、卡西米爾效應(yīng)等世界科技前沿與量子慣性導(dǎo)航國家重大需求,，建立了光動量傳感理論模型,、指標(biāo)體系和評測方法，突破了高真空光阱穩(wěn)定懸浮,、亞皮米級三軸解耦位置探測,、毫開爾文級敏感單元質(zhì)心運動冷卻等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了光動量傳感仿真軟件,、真空控制系統(tǒng),、傳感信號處理系統(tǒng)等支撐系統(tǒng)，完成之江實驗室第一代極弱力與加速度科學(xué)裝置研制,， 實現(xiàn)極弱力探測靈敏度達(dá)3.4×10-19N/Hz1/2,、分辨率達(dá)4.6×10-21N，核心指標(biāo)居國際先進水平,。

之江實驗室智能感知研究院類人感知研究中心科研動態(tài)
之江實驗室軟體光致動器研究成果登上《自然》子刊
“你相信光嗎,？”
在腔道縱橫的人體內(nèi)自由潛行，
充當(dāng)患者復(fù)原的外骨骼,，
在微米尺度上抓取任意細(xì)胞……
之江實驗室最新研究成果表明：
“一束光”的驅(qū)動蘊含巨大應(yīng)用潛力,。

1月18日，《自然通訊》（Nature Communications）刊發(fā)了之江實驗室最新研究成果“基于微納光纖的光波導(dǎo)型軟體光致動器”（Optical fibre taper-enabled waveguide photoactuators）,，展示了提升光致動器變形性能的新思路,。之江實驗室類人感知研究中心肖建亮博士為論文第一作者，之江實驗室類人感知研究中心張磊教授,、楊文珍教授,，浙江大學(xué)王攀研究員為共同通訊作者。

之江實驗室類人感知研究中心  肖建亮博士

“軟體致動器”是什么,？
也許你對它感到陌生,，但它在人工肌肉、物體抓取,、仿生運動等領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出“過人”的應(yīng)用優(yōu)勢,。

軟體致動器+光=？
憑借遠(yuǎn)程傳輸便利,、多參數(shù)可調(diào)等優(yōu)勢,，大自然中隨處可見的空間光成為主流驅(qū)動方式之一，被學(xué)界和工業(yè)界寄予厚望,。

然而,，自由空間光驅(qū)動存在一些與生俱來的缺陷：容易被物體遮擋，在體內(nèi)腔道、彎曲管道等光線無法直達(dá)的場景內(nèi)難以工作,；長距離傳輸受散射,、折射影響大，導(dǎo)致遠(yuǎn)距離隔空照射精準(zhǔn)定位難,、光強波動大,；如果要精準(zhǔn)控制運動中的物體，操作光束的難度就更大了,。

采用柔性光波導(dǎo),，將光引導(dǎo)到致動器內(nèi)，是解決空間光型致動器在復(fù)雜開放場景下應(yīng)用難題的新思路,。

光波導(dǎo)型致動器的材料選擇,，一般采用技術(shù)相對成熟的普通商用光纖。但商用光纖整體厚度大（直徑多在125微米）,、光耦合效率低,、能量密度低，導(dǎo)致其變形幅度小,、速度慢,，無法滿足很多實際應(yīng)用需求。如果1毫瓦的微弱光線經(jīng)由100微米以上的光纖傳導(dǎo)至致動器,，光的能量密度并不高,，且會因為光纖和光響應(yīng)材料的尺寸不匹配，導(dǎo)致不少能量散失,。

作為一支擁有光學(xué)和材料學(xué)交叉學(xué)科背景的團隊,，之江實驗室類人感知研究中心的觸覺感知研究團隊提出了一個假設(shè)：能否用微納光纖“破題”柔性光致動器？
在項目負(fù)責(zé)人張磊教授的啟發(fā)與指導(dǎo)下,，肖建亮與團隊成員在10個月內(nèi)就得出了主體數(shù)據(jù),，最終成功將這一創(chuàng)新性設(shè)想付諸實踐。現(xiàn)在,，眼前這個長3厘米,，寬0.5毫米的微小裝置就是團隊鏖戰(zhàn)一年半的成果。

微納光纖光致動器結(jié)構(gòu)

肖建亮介紹,，微納光纖的微小尺寸,，加上光響應(yīng)材料的光熱效應(yīng)和熱膨脹系數(shù)不匹配機理是“破題”的關(guān)鍵�,！拔⒓{光纖擁有納米級尺寸,，令光致動器的厚度降至70微米，更加柔軟靈活,。同時,，更小的直徑提高了能量密度和利用率,，可以顯著提升致動器變形能力,�,！�

微納光纖光致動器工作機理

肖建亮展示了這一裝置的不俗表現(xiàn)：變形角度大，可彎折超過270度,；響應(yīng)速度快,，1.8秒內(nèi)迅速彎曲180度；能耗低于0.55 毫瓦/度,，大幅提升了柔性光波導(dǎo)型致動器的綜合性能,。

微納光纖光致動器在不同驅(qū)動功率下的變形角度及其響應(yīng)速度

用該裝置構(gòu)建的單臂和雙臂柔性抓手，不僅能抓取不同形狀,、大小的物體,，還能抓起自身重量70倍的物體，是個柔軟靈活的“大力士”,。如果裝載到電動導(dǎo)軌上,，還可以在大范圍內(nèi)抓取、移動,、操控物體,，彌補了空間光致動器“精準(zhǔn)操作難”的缺陷。

微納光纖光致動器構(gòu)建的單臂和雙臂軟體抓手抓取不同形狀,、大小和重量的物體

有了微納光纖的加持,，在不遠(yuǎn)的未來，我們也許可以看到軟體致動器在體內(nèi)復(fù)雜腔道中自由“游動”,，中風(fēng)患者在康復(fù)治療中擁有了外骨骼,，生命科學(xué)研究者可以任意抓取微米級細(xì)胞……

張磊團隊這一最新研究成果，讓所有“追光者”更加確信：一束光里,，潛藏著柔軟卻強大的力量,。

文章來源：
https://www.science.org/content/ ... lligence-to-sensing
https://www.zhejianglab.com/