美国国家航空航天局(NASA)技术

你能让机器人有感觉吗?这是向约翰逊航天中心工程师托比·马丁提出的问题。

美国宇航局的第一个机器人手持喷雾瓶
根据合同到Johnson Space Center,智能光纤系统(IFOS)开发了一种旨在为NASA的第一个Robonaut机器人手提供触觉感应的系统。该工作改善了光学询问者的能力,即在大多数公司的系统中的核心和改进的技术,即IFOS习惯于让手术设备感觉压力并推断其在太空中的位置。

美国国家航空航天局(NASA)并不想给它的机器人机器人(Robonaut)一个心脏,但它是给机器人的手提供触觉感应。

“它没有自主抓取能力,”马丁谈到NASA的第一个机器人宇航员时说。作为一名控制系统专家,他在2004年受命寻找一种方法来赋予它这种能力。他说:“首先,我们必须弄清楚当它抓取东西时如何感知。”“我们希望这只手能够抓住一个物体,并调整手指的力量、位置和张力,以捡起不规则的物体。”

至少有一家公司响应了马丁的建议,即智能光纤系统公司(IFOS),对NASA来说并不陌生。这家位于加州硅谷的公司开发初期技术的资金大部分来自于10年前与兰利研究中心签订的两份小企业创新研究(SBIR)合同。

NASA的SBIR和小型企业技术转让(STTR)计划对有前途的技术进行了相对较小的投资,这些技术可能被证明对NASA的任务有用,也显示出商业潜力。

在兰利的项目中,该公司提议通过制造IFOS所谓的“光学神经”,为航空航天材料和其他应用开发“智能表面”。这是一种具有反射微结构的光纤,称为光纤布喇格光栅,每隔一段时间印在其芯内。一种被称为光学询问器的设备沿着光纤发送光线,每个光栅反射出特定的波长特征,如果应变或温度发生变化,波长特征会有轻微的变化。

IFOS的光学询问器
IFOS使用这样的光学询问器,从光纤上传感器反射的光中提取压力和温度信息。

IFOS的首席科学家理查德·布莱克解释说:“如果你拉伸光栅,反射回来的波长会变长,与应变成正比。”这种现象被称为红移。“如果光栅被压缩,就会出现成比例的蓝移。”同样,温度升高会导致红移,而温度下降会导致蓝移。IFOS询问器可以探测到皮米到飞米量级的波长变化,飞米是用来测量原子的无穷小单位,它用它来确定应变或温度变化。

通过将一系列光纤连接或嵌入在一个表面上,每一个表面上都有几个光纤布拉格光栅传感器,询问器可以监测整个表面的应变和温度,这一功能在许多领域都有广泛的应用前景。剥离2002)。

对于Robonaut的手,该公司提出,该技术可以通过测量弯曲带来的张力来实时确定每根手指的位置,如果读取速度足够快,它甚至可以探测到振动和纹理。

技术转让

“我有点怀疑这是否适用于我们的申请,但我很感兴趣,”马丁说。“它提供了应变片的许多优点,但没有一些缺点,比如外部电子噪音和干扰。由于每根光纤都有几个光栅,所以传感器的密度可以容纳在一个小空间里也是一个优点。”Johnson授予该公司一份SBIR合同,以探索该概念的可行性。为了避免重建双手,美国国家航空和宇宙航行局要求给现有的双手戴上合适的手套。

机器人手抓取鸡蛋的原型
这只为Johnson开发的原型手IFOS可以感知何时抓取东西,并调整手指的压力和位置来抓取不规则的物体。

当时,IFOS仍在使用它为兰利开发的几乎相同的审讯器,只支持不超过10个传感器。不过,为了装备整只手需要更多的传感器,该公司做出了根本性的改变,开发了一种可伸缩的架构,使其传感能力得到了持久的改善,布莱克说。

在约翰逊的资助下,该公司采用了一种用于电信应用的光学芯片概念,对其进行了大规模并行传感架构的修改,并与一家铸造厂合作定制了一个光子光谱处理器——一个嵌入了许多波导的单个芯片。处理器的作用就像一个棱镜,将光谱的不同部分发送到一个阵列中的不同光电探测器。询问器同时监测各种光谱成分的比率的变化,以便精确测定传感器波长。

同时监测多个传感器的能力允许更快的读数,这对于检测,例如,微小的,快速振动引起的纹理表面摩擦是很重要的。

马丁说,由于褶皱和其他问题导致的不着火,手套不能很好地工作。然而,根据第二阶段SBIR合同,IFOS和斯坦福大学机械工程系开发了他们自己的手指原型。“我们对它进行了测试,并验证了公司进行的实验,证明它是可行的,”马丁说。当时,手指原型和审问器都太大,无法整合到人类大小的手上。

他说,项目就到此为止了,但约翰逊团队中的某个人敦促公司首席执行官兼首席技术官Behzad Moslehi通过美国国家卫生研究院(NIH)为可能的医疗应用寻求资金。“我调查了一下,发现那就是我的家。”

好处

从此以后,IFOS为其光纤传感技术找到了多种可能的医疗应用。

Robonaut项目后不久,由于该公司正在探索医疗应用,Intuitive Surgical Inc.收购了IFOS的一套光纤传感器系统,以研究其在灵巧手术机器人上的应用。几年后,IFOS为三星正在评估的一个医疗应用生产了几个带有触觉感应的仪器式抓手组件。Moslehi表示,通过与其他公司的战略合作,他认为医疗机器人市场是公司未来的一个机会。

接近商业化的是,外科医生可以与MRI和超声波机结合使用的仪器活检针。斯坦福大学一直通过其工程学院和医学院与IFOS合作,在磁共振成像环境下对动物进行评估和测试技术。

布莱克说,在实时核磁共振引导手术中使用的工具——外科医生要么进入核磁共振机器,要么在控制室远程工作——绝对不能对磁体产生反应或使用电力。“光纤传感器是我们正在做的那种传感的理想选择。”但是这种针在核磁共振成像中几乎看不见。

他说:“我们想出了一种方法来实时测量活检针的形状,一直到针尖,然后将精确的形状叠加在核磁共振成像中模糊的伪影上。”这让外科医生知道他们在做什么。

该工具还可以测量尖端上的力,与组织硬度有关。这提供了另一种外科医生的线索,因为肿瘤通常比周围组织更难。该团队正在努力提供触觉反馈,例如根据针对针的应变振动的遥控手术的操纵杆。

手术过程中用于吸液的导管也会以同样的方式工作。

该公司已经成功地在猪身上测试了这项技术,但还没有通过临床试验和FDA的批准,所以离进入手术室还有很长的路要走。IFOS还与Civco医疗解决方案公司合作,开发具有光纤传感功能的针头。

与此同时,在卡尔加里大学(University of Calgary),另一个团队正在研究一种类似的设备,用于mri引导的神经外科手术,称为NeuroArm。IFOS向团队出售了一台审问器,并配备了一对带有光纤传感器的手术钳。

拿着的原型手术针可以感知自己的位置
这种外科手术针原型IFOS可以沿其长度感测其位置,并检测硬度变化。例如,在MRI机器中患者的外科医生,几乎可以在MRI图像中看到针。IFOS的技术可以叠加身体中针的图像。

斯坦福大学(Stanford)和加州大学洛杉矶分校(University of California, Los)的睡眠中心正在与IFOS合作开发一种设备,通过气道的实时压力分布来监测睡眠呼吸暂停。该公司正在与美国国家卫生研究院(NIH)讨论一项类似的技术,以监测男性尿失禁。

在所有这些应用中,光纤传感可以实现更薄的探针或手术工具,以及独特的高分辨率、多维度测绘。

在另一个项目中,该公司正在利用其机器人手的经验,与美国国立卫生研究院和乔治梅森大学合作,开发一种机器人假肢,结合IFOS的光纤传感器和超声波成像技术,该技术可以感知前臂特定手指肌肉的激活。这让用户可以高精度地控制手指。

NASA最近的工作也可能在医学和其他领域带来商业应用。根据最近的小企业技术转让(STTR)资金从戈达德太空飞行中心和约翰逊,ifo和斯坦福大学合作开发专门的光子集成电路(图片),在本例中为“芯片实验室”设备监控等生化药剂的浓度在动物和人类蛋白质和肌酸酐,包括宇航员。该技术类似于电子集成电路,在一个比指甲还小的芯片中,一个光源和各种光学工具紧密相连。

Moslehi说:“这就像一个小型的、专门的光子计算设备或信号处理器。”“而且它以光速工作。”

多管机器人手术工具
IFOS和几所大学的研究人员正致力于将该公司的技术应用于医疗设备,包括机器人手术工具。

IFOS已经与多家PIC铸造厂合作生产这种光学芯片,这种芯片有广泛的用途。

黑色笔记,而Robonaut工作中使用的询问器是桌面大小的,而现在用于外科设备的询问器是鞋盒大小的一半。该公司正致力于将其降至智能手机的规模。

IFOS的战略项目经理William Price说,在早期,“建造高性能审讯器的成本是一个重要的限制因素,但IFOS一直在努力降低成本。”他说,IFOS最近完成了beta测试,并将很快推出一系列价格低于1万美元的审讯器,这只是第一批审讯器价格的一小部分。他指出,他预计这些新产品将为光纤传感开拓医疗行业之外的新应用。它们将作为IFOS其他高性能询问器的补充,用于声学和振动测量。

Moslehi说,特别是NASA和其他联邦机构,从一开始就为公司的技术创新开发产品提供了必要的资金。他说:“当然,在早期,IFOS还在硅谷的一个车库里运行的时候,NASA的资金帮助我们起飞并开发了这项技术。”

从那时起,许多用于太空飞行、火箭测试、大气再入以及其他极端环境的项目一直保持着这项技术的坚固、可靠和尖端。