据麦姆斯咨询报道，近期，中国科研团队开发出一种快速且精准的新型柔性光学触觉传感器，可用于阅读盲文。这一进展不仅能为盲人提供更便捷的信息获取途径，还将使人们期许在不远的将来更加接近无障碍且适应性强的阅读技术。
这种柔性光学触觉传感器能够以触摸的速度阅读盲文：中国科研团队开发的这款快速且精准的传感器，可用于读取盲文。该技术有望催生将盲文转换为语音或文本的智能阅读器，助力盲文更广泛地普及应用。
北京师范大学的研究小组负责人Zhuo Wang表示：“盲文是由微小的凸点组成的，想要精准读取盲文，需要非常精密的传感器。传统的传感器很难做到这一点，尤其是在诸如手指实时滑过盲文进行阅读这类动态任务中。而我们的新型柔性光学触觉传感器能够快速、精准地处理盲文的微小细节。”
相关研究成果以“Optical tactile sensor based on a flexible optical fiber ring resonator for intelligent braille recognition”为题的论文发表在Optics Express期刊上，在该论文中，研究人员介绍了这种柔性光学触觉传感器：它由一个嵌入PDMS软体材料的光纤环形谐振器构成，而该PDMS软体材料宛如一层柔性光学皮肤。当施加压力时，这种柔性光学触觉传感器会测量由此产生的光频率变化，并将其转换为可读数据。实验表明，当与神经网络数据处理方法相结合时，这种触觉传感器系统可以快速、精准地读取盲文字母、数字和标点符号。
沈阳航空航天大学的研究小组成员Heng Wang说：“这项技术有望带来更快、更精准的智能阅读器，该阅读器将盲文转换为语音或文本以实现盲文阅读，无需用户专门学习盲文。这有助于盲文在公共场所、数字平台和教育领域更广泛地传播。该技术还可能延伸至智能医疗设备、下一代机器人等需要灵敏触觉感知的领域。”
打造柔性盲文阅读器
学习并阅读盲文颇具挑战性，因此自动盲文阅读器显得尤为重要，尤其是对晚年失明的老年群体而言。光学触觉传感器虽具备精准、柔韧、抗干扰的特性，但其触觉检测灵敏度以及环境干扰问题，限制了其精准识别较小盲文凸点的能力。
为打造一款灵敏且可靠的柔性光学触觉传感器，研究人员将一个光纤环形谐振器——一种由光纤环绕而成，光在其中循环的装置——嵌入PDMS软体材料之中。这赋予了这种触觉传感器类似人体皮肤的柔韧性，使其能够弯曲并感知压力。当用户将该传感器按压在盲文凸点上时，压力会使光纤轻微弯曲，进而改变光纤环形谐振器的谐振频率。
（a）人体皮肤包含多种触觉“传感器”，这些触觉“传感器”可将信息传递至大脑进行识别与处理；（b）受人体皮肤的启发，研究人员开发了仿生触觉传感器系统。
研究人员使用了一种名为Pound-Drever-Hall（PDH）的频率锁定技术，将微小的频率变化转换为可读数据。该方法能在动态环境中保持光信号的稳定性，因此无论柔性光学触觉传感器周围环境如何变化，读数都精准无误。
Pound-Drever-Hall解调原理
研究人员还利用机器学习（ML）来提高该触觉传感器的精度。他们使用多层感知器（Multilayer Perceptron，MLP）神经网络来辅助识别特定的盲文模式。长短期记忆网络（Long Short-Term Memory，LSTM）则旨在有效地学习和保留序列数据的长期依赖关系，帮助将盲文序列转化为可读的文本或单词。
（a）传感器制造过程示意图；（b）实际制造过程中各步骤的对应图像。
实时盲文阅读
研究人员通过让这种柔性光学触觉传感器在不同程度的压力和触摸方式下读取盲文，对其进行了测试。该传感器识别出了八种不同的盲文图案，精准率达98.57%，它还能在动态场景中识别盲文字符，例如当传感器在盲文板上滑动，模拟现实使用场景时也能精准识别盲文。该传感器对压力的响应时间不到0.1秒，哪怕盲文板上的每个字符略有差异，也能正确读取整个盲文单词。
北京师范大学的Rui Min与沈阳航空航天大学的Lin Ma共同撰写了上述论文。Rui Min说道：“相较于可能遗漏按压不完美凸点的老式盲文阅读技术，该触觉传感器系统更加精准。柔性光纤环形谐振器可检测到极其细微的压力差异，Pound-Drever-Hall频率锁定技术确保了稳定性和精准性，即使在光线或功率波动的情况下也不受影响。机器学习进一步优化了该触觉传感器系统，使其即便在面对微小的错误或压力变化时，也能够识别盲文。”
目前，研究人员正致力于使这种柔性光学触觉传感器在实际应用中性能更加稳定可靠。这包括针对不同的应用进行优化，降低成本并提高耐用性。他们还在改进机器学习模型的集成方式，以应对更复杂的盲文阅读任务。
论文链接：
https://doi.org/10.1364/OE.546873
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