近日，康奈爾大學研究人員用3D打印機和四步軟光刻技術創造出一個可以像人的手一樣去感知所接觸的表面的柔性機械手。可拉伸的光波導在這個3D打印手中扮演著曲率、伸長率和力傳感器的角色。

從一出生，我們就能用手去觸摸、感知和抓握，但我們如何體驗觸摸的感覺？我們如何在非人類實體上復制這種感覺？觸摸是人的內在感覺還是外部感覺？由康奈爾大學機械和航天工程系助理教授Robert Shepherd領導的該大學研究團隊嘗試用3D打印來回答這些問題。

雖然大多數機器人能通過傳感器獲得抓握和觸摸的感覺，但Shepherd和他的團隊設計了一個柔性機械手，并用3D打印模具將其制造出來。該機械手用其手指的外部指尖來收集信息，與此同時手的內部也能像人的手一樣進行“感覺”。博士生Huichan Zhao是論文《通過可伸展的光波導，被以光電方式神經支配的柔性假手(Optoelectronically Innervated Soft Prosthetic Hand via Stretchable Optical Waveguides)》的主要作者，該論文發布在《Science Robotics》的首版上。

“在今天，大多數機器人都配備有體外傳感器來探測表面的東西，”Huichan Zhao，“我們的傳感器被整合在機器人體內，這樣它們就能探測通過其身體傳送進來的力度，這跟我們感覺到疼痛的機制很相像。”

研究人員創造了一個絕妙的系統，通過光線，該系統能感受到周圍的環境。隨著柔性機械手的變形，更多的光通過一個芯而流失，一個光敏二極管會探測到這些光損失。據 童程童美了解，研究團隊采用一種四步軟光刻工藝來生產芯(光會通過這個芯)和覆層(波導的外表面)，覆層中還包含有一個LED和上文提到的光敏二極管。

除了軟光刻，3D打印在這一過程中也起著重要作用。“我們使用一臺PolyJet打印機(Objet30)來為我們的光波導3D打印模具，”研究人員在論文中解釋說，“這種制造工藝在芯和覆層之間產生了一個厚6納米的表面粗糙度。這種相對粗糙的界面會引起散射，并因此導致更多的傳播損失。然而，3D打印所帶來的設計自由能實現復雜的傳感器形狀。”

由3D打印模具制成的光電子手能夠執行各種任務，如抓取、探測形狀和紋理。有趣的是(對于科學家和食物愛好者而言)，這個3D打印機械手能掃描三個西紅柿，然后通過柔軟度來確定哪一個最成熟。

雖然3D打印機械手能像人的手一樣處理數據，但本質上它是通過光的存在或消失來理解其所接觸的表面的。“如果我們彎曲它時沒有光損失，我們不會得到任何有關傳感器狀態的信息，”Shepherd說，“光的損失量取決于它的彎曲度。”

這個不同尋常的研究項目涉及到3D打印、軟光刻和光波導的使用，得到了空軍科學研究辦公室(Air Force Office of Scientific Research)的資助，并且利用了康奈爾納米科學技術設施(Cornell NanoScale Science and Technology Facility)和康奈爾材料研究中心(Cornell Center for Materials Research)，二者均由美國國家科學基金會(National Science Foundation)支持。