​​双光束激光纳米直写技术—智能传感的研究

来源：长三角G60激光联盟

据悉，理解视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉这五种感官仍然是神经科学的前沿领域。之江实验室的科学家们正在开发一系列低成本、节能的传感器，以及先进的智能传感技术。

之江实验室成立于2017年，坐落于杭州城西科创大走廊核心地带，是浙江省委、省政府深入实施创新驱动发展战略、探索新型举国体制浙江路径的重大科技创新平台。2021年，之江实验室纳入国家实验室体系。实验室以“打造国家战略科技力量”为目标，由浙江省人民政府主导举办，实行“一体两核多点”的运行架构，主攻智能感知、人工智能、智能网络、智能计算和智能系统五大科研方向，重点开展前沿基础研究、关键技术攻关和核心系统研发，建设大型科技基础设施和重大科研平台，抢占支撑未来智慧社会发展的智能计算战略高点。

刘教授、邝教授及其团队成员开发了用于传感器打印的高通量3D纳米分辨率激光直写机

智能传感
之江实验室正在进行将类似人类的感知集成到传感设备中的新型传感器技术和信号处理的先进结合。

理解视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉这五种感官仍然是神经科学的前沿领域。为了探索这些过程，研究人员经常尝试模拟自然。

例如，20世纪50年代，康奈尔大学(Cornell University)已故心理学家弗兰克·罗森布拉特(Frank Rosenblatt)模仿苍蝇眼睛中的布线和处理过程，制造了一个充满迷宫般的电线和电子设备的设备，称为感知器。像这样的研究，现在由先进的计算提供动力，正在创造一个名为智能传感的新研究领域，许多科学家在中国杭州的之江实验室探索这个领域。

之江实验室智能传感研究所所长刘旭说:“智能传感是对人类感知周围物体和环境的感知模式的模仿和近似。“人类的视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉都有自己的神经网络，它们都以特定的方式计算。它不仅是机械的感知过程，而且是物理感知、神经信息处理和大脑皮层识别的结合，形成了人类对周围环境的认知。”

制造更智能的传感器
智能传感的进步很大程度上依赖于更先进的传感器，比如由传统数字传感器与信号处理电路和计算存储器结合而成的所谓智能传感器。“这些类型的传感器将很快进入市场，但它们只能被视为智能传感器的初步类型，”刘教授说，因为更智能的传感器还在开发中。

之江实验室的科学家们正在开发一系列低成本、节能的传感器，以及先进的智能传感技术。“在之江实验室强大的人工智能研究基础上，我们将专注于开发模仿人类五感的智能视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉传感器，这可以提供变革性的技术和设备，如未来的人形机器人、聚合媒体技术和新的人机交互界面。此外，这些传感器将推动信息技术的发展达到更高的水平，”刘教授解释道。

例如，这些科学家模仿听觉感知，在显微镜中集成了一个20 MHz - 120 MHz的超声波换能器，可以对1厘米深的样品进行成像，分辨率小于10 μm。在视觉传感领域，之江实验室的科学家们正在研究应用于体内亚细胞病理学研究和多器官诊断和治疗的技术。最后，在努力复制触觉的过程中，这些科学家还开发了一种基于微纳米纤维的智能触觉传感系统，该系统可以对压力、滑动、温度、湿度和角度做出准确的反应。

制造更好的传感器
虽然承认这些突破刺激了现有传感器的发展，如电荷耦合器件(ccd)和互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片，但研究人员可以相信，未来的传感器将更加先进。
刘教授说:“我们把目前的CCD和CMOS图像传感器称为工业时代的视觉传感器，我们希望开发新型的视觉、嗅觉、味觉和触觉传感器，我们将其定义为仿生智能传感器。”“因此，我们设计并建造了之江实验室智能感知设施，这是一个用于智能传感器研发的大型科技基础设施。”
这一研发设施将使之江实验室的科学家能够在智能传感的各个方面开展工作。刘教授解释道:“构建全链智能传感器研发平台，能够将五感传感材料、大规模阵列高速读出电路、基于类人神经网络的智能芯片等进行融合，支持类人五感器件的创造，形成新的智能传感系统，为更高效、更稳健的机器智能服务。”
科研成果

高通量光学纳米光刻与成像装置

以双光束激光纳米直写技术为核心，突破激光直写突破衍射极限、复杂纳米结构大面积制备及多通道高速成像这三个科学问题，已完成单路激光直写系统光学调制模块的系统搭建，实现了亚50nm的结构刻写精度与25nm的悬浮线刻写，在微纳加工与制造领域达到国际先进水平，为我国在传感器领域支撑生命科学、材料科学等领域科学问题的研究提供有效的仪器和设备平台。

基于光动量效应的极弱力与加速度测量科学装置

面向非牛顿引力、卡西米尔效应等世界科技前沿与量子惯性导航国家重大需求，建立了光动量传感理论模型、指标体系和评测方法，突破了高真空光阱稳定悬浮、亚皮米级三轴解耦位置探测、毫开尔文级敏感单元质心运动冷却等关键技术，开发了光动量传感仿真软件、真空控制系统、传感信号处理系统等支撑系统，完成之江实验室第一代极弱力与加速度科学装置研制， 实现极弱力探测灵敏度达3.4×10-19N/Hz1/2、分辨率达4.6×10-21N，核心指标居国际先进水平。

之江实验室智能感知研究院类人感知研究中心科研动态
之江实验室软体光致动器研究成果登上《自然》子刊
“你相信光吗？”
在腔道纵横的人体内自由潜行，
充当患者复原的外骨骼，
在微米尺度上抓取任意细胞……
之江实验室最新研究成果表明：
“一束光”的驱动蕴含巨大应用潜力。

1月18日，《自然通讯》（Nature Communications）刊发了之江实验室最新研究成果“基于微纳光纤的光波导型软体光致动器”（Optical fibre taper-enabled waveguide photoactuators），展示了提升光致动器变形性能的新思路。之江实验室类人感知研究中心肖建亮博士为论文第一作者，之江实验室类人感知研究中心张磊教授、杨文珍教授，浙江大学王攀研究员为共同通讯作者。

之江实验室类人感知研究中心  肖建亮博士

“软体致动器”是什么？
也许你对它感到陌生，但它在人工肌肉、物体抓取、仿生运动等领域已经展现出“过人”的应用优势。

软体致动器+光=？
凭借远程传输便利、多参数可调等优势，大自然中随处可见的空间光成为主流驱动方式之一，被学界和工业界寄予厚望。

然而，自由空间光驱动存在一些与生俱来的缺陷：容易被物体遮挡，在体内腔道、弯曲管道等光线无法直达的场景内难以工作；长距离传输受散射、折射影响大，导致远距离隔空照射精准定位难、光强波动大；如果要精准控制运动中的物体，操作光束的难度就更大了。

采用柔性光波导，将光引导到致动器内，是解决空间光型致动器在复杂开放场景下应用难题的新思路。

光波导型致动器的材料选择，一般采用技术相对成熟的普通商用光纤。但商用光纤整体厚度大（直径多在125微米）、光耦合效率低、能量密度低，导致其变形幅度小、速度慢，无法满足很多实际应用需求。如果1毫瓦的微弱光线经由100微米以上的光纤传导至致动器，光的能量密度并不高，且会因为光纤和光响应材料的尺寸不匹配，导致不少能量散失。

作为一支拥有光学和材料学交叉学科背景的团队，之江实验室类人感知研究中心的触觉感知研究团队提出了一个假设：能否用微纳光纤“破题”柔性光致动器？
在项目负责人张磊教授的启发与指导下，肖建亮与团队成员在10个月内就得出了主体数据，最终成功将这一创新性设想付诸实践。现在，眼前这个长3厘米，宽0.5毫米的微小装置就是团队鏖战一年半的成果。

微纳光纤光致动器结构

肖建亮介绍，微纳光纤的微小尺寸，加上光响应材料的光热效应和热膨胀系数不匹配机理是“破题”的关键。“微纳光纤拥有纳米级尺寸，令光致动器的厚度降至70微米，更加柔软灵活。同时，更小的直径提高了能量密度和利用率，可以显著提升致动器变形能力。”

微纳光纤光致动器工作机理

肖建亮展示了这一装置的不俗表现：变形角度大，可弯折超过270度；响应速度快，1.8秒内迅速弯曲180度；能耗低于0.55 毫瓦/度，大幅提升了柔性光波导型致动器的综合性能。

微纳光纤光致动器在不同驱动功率下的变形角度及其响应速度

用该装置构建的单臂和双臂柔性抓手，不仅能抓取不同形状、大小的物体，还能抓起自身重量70倍的物体，是个柔软灵活的“大力士”。如果装载到电动导轨上，还可以在大范围内抓取、移动、操控物体，弥补了空间光致动器“精准操作难”的缺陷。

微纳光纤光致动器构建的单臂和双臂软体抓手抓取不同形状、大小和重量的物体

有了微纳光纤的加持，在不远的未来，我们也许可以看到软体致动器在体内复杂腔道中自由“游动”，中风患者在康复治疗中拥有了外骨骼，生命科学研究者可以任意抓取微米级细胞……

张磊团队这一最新研究成果，让所有“追光者”更加确信：一束光里，潜藏着柔软却强大的力量。

文章来源：
https://www.science.org/content/ ... lligence-to-sensing
https://www.zhejianglab.com/