面向农业机器人的光子感知器件研究进展*

彭 望，廖庆喜

（1.华中农业大学 工学院，湖北 武汉 430070；2.华中农业大学 长江中下游农业装备重点实验室，湖北 武汉 430070；3.华中农业大学 作物纳米生物学与技术中心，湖北 武汉 430070）

随着《中国制造2025》《关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》《农机装备发展行动方案（2016-2025）》等重大方针政策的提出与实施，标志着我国已经进入农业机器人高速发展的时代[1-3]。智能感知是实现智慧农机的关键技术，也是农业机器人研究领域的重大难题。中国工程院院士赵春江指出，农业专用传感器落后是我国智慧农业发展的短板技术；我国目前自主研发农业传感器数量不到世界的10%[4]。各主要现代化农业大国均对农业机器人智能感知技术进行了重点部署：2017年欧洲农业机械协会提出智慧农业（农业4.0）、2017年美国政府推出《国家机器人计划2.0》、2020年中国农业农村部印发《数字农业农村发展规划（2019-2025年）》的农业现代化战略规划[5-7]。农业机器人要实现动态环境适应性操作，获得实时、高精、可靠的感知数据，以及实现机器、人和环境之间更紧密交互均依赖于农业的机器人智能感知器件[8]。研制出面向农业机器人的智能感知器件，从而推动农业现代化的顺利实现，是当前我国农业发展急需突破的关键点。

对于一些精细化的智慧农业自动化操作，例如果蔬采摘、稻田除草、农场除草、作物监测等，通常需要实时处理不确定情况，如图1所示[9-12]；因此，必须利用先进感知技术取得机器人与作物交互过程中周边环境的实时变化信息，以利于做出智能化的决策判断。在过去的几年里，机器人技术被越来越多地应用于农业领域，以形成能够提高生产率和竞争力的智能农机装备。准确而稳定的环境感知能力是解决包括环境监测、安全交互、成分鉴定等未解决问题，以及提高农业机器人整体感知能力的核心[13]。适应性强的感知技术能够在不断变化的气候和周边环境中及时采集感知状态信息，主要包括定位、环境监测、分类、检测等；而当前面向农业机器人的传感技术发展主要集中在自动化、制导、态势感知和过程监控方面，常用的相关传感器包括GPS、红外传感器、机器视觉、光探测和测距（激光雷达）以及超声波传感器[14]。在农业机器人智能感知领域，对于进行触觉、化学成分（氮指数、养分、干物质、蛋白质等）、温度、湿度等状态进行探测的光子类感知器件研究还处于探索阶段[15]。

图1 农业机器人精细化应用场景

传统农机装备通常被设定在人工布局好、可控的、环境信息已知的结构化、任务单一的工作环境中，而未进行人、机器和环境三者之间信息的实时感知，难以满足智慧农业时代下农业机器人在自然、不可预知的非结构性动态环境的应用需求[16]。目前，世界顶尖学术机构和研究所均对机器人光子感知器件进行了深入的研究与探索，如图2所示[17-20]。基于柔性光学材料的机器人感知器件能够顺应性地贴合在机器人表面，实时感知机器与环境之间的交互作用所产生的多模态物理信息，为后端智能控制系统提供动态环境信息以辅助后续基于智能感知反馈的决策与柔性操作，从而有利于实现机器人在动态复杂环境中的自适应操作。柔性光学材料具备能实现感知作物生长环境信息、机器与环境交互作用信息，以及多机器人系统状态的功能，并具有高度的顺应性、自适应性、灵敏度和抗干扰能力，在未来会成为农业机器人智能感知系统的重要组成。柔性纳米光栅结构通过将基于有机或无机的柔性光学材料制作成具有柔性或可拉伸性的纳米光栅结构的感知器件，以应用于现代农业机器人感知领域。将基于纳米光栅结构的光子感知器件应用于农业机器人感知系统，能够满足农业机器人运行环境下对感知器件的性能要求。

图2 面向智能机器人的柔性感知器件

1 面向农业机器人的光子感知器件

1.1 基于光栅的柔性光子感知器件

光栅是任何规则间隔的相同平行细长的纳米光学元件的集合[21]。以纳米光栅为基础，根据不同的光学原理可以衍生出大量的光学感知器件，如衍射光栅[22]，光波导[23]，光子晶体[24]，表面等离子体共振器件[25]以及拉曼光谱增强器件[26]。传统的光栅结构类器件主要是以硬质材料制备的，如 SiO2、Si3N4、Si、SiO2等，由于刚度大，其在制备完成后，其结构呈现刚性固定模式[27]。为扩展和增强光子感知器件在智慧农业领域复杂多变环境下的感知需求，大量的研究工作聚焦于使光子感知器件具有柔性、灵敏性、稳定性和可重构性[28]。柔性可拉伸的光子感知器件能够自适应贴合在不规则曲面，与传统的刚性器件相比，能够实现新的基于器件形变的感知功能（应力、应变、表面轮廓、湿度、温度、化学成分分析等）。基于纳米光栅的柔性感知器件具有精度高，尺寸小，低回滞，抗电磁干扰和生物兼容性好的特点，具有被广泛应用于农业机器人领域的潜力。

以纳米光栅结构为基础，设计和制造多类柔性光子感知器件是实现柔性光子技术在农业机器人多模态感知领域应用的核心。当前，以微纳光栅结构为基础的柔性光子感知器件已经有了初步的研究进展。德国弗朗霍夫研究所的Alexander等人利用全息技术和紫外光模板固化法在混有苯甲酮光敏分子的PDMS材料上制备出柔性衍射光栅光，如图3（a）所示；当对该柔性光栅施加75%的应变时，该柔性衍射光栅能够覆盖整个可见光波段（410nm至700nm）[29]。美国斯坦福大学鲍哲楠课题组在Advanced Materials上发表了利用光栅模板制备的基于PDMS柔性光学材料的柔性光波导器件，其利用光波导耦合光栅的输出光强度变化进行压力、应变等感知，如图3（b）所示，其感知的压力灵敏度达到0.2kPa-1[30]。德国Karrock课题组利用硅片光栅模板压印成型基于PDMS的光栅基底，并分别旋涂TiO2纳米粒子颗粒于其上，制备出具有柔性和可拉伸性的基于PDMS光栅基底的光子晶体传感器，如图3（c）所示；当拉伸应变达到120%时，柔性可拉伸光子晶体的共振波长红移88nm[31]。日本的Honma课题组利用亚微米波长的铝光栅阵列制作出可以调控的表面等离子体感知器件，如图3（d）所示；铝光栅周期可以由静电力驱动器进行调制，其表面等离子体共振波长的调制范围可以从542nm到668nm的区间变化[32]。基于纳米光栅结构的柔性光子感知器件已经取得了一些初步的成果，但在柔性光子感知器件的电磁机理研究和细致深入的应用方面尚未开展相关工作。

图3 基于光栅的柔性光子器件

1.2 柔性光子感知器件的材料

基于纳米光栅结构的光子感知器件要实现柔性和可拉伸性，需要以具有光学透明性的新型软材料为基石。近十年来，应用于制造柔性和可拉伸性光子感知器件的新型材料被不断开发出来，它们具有几个共性特征，包括透明度、柔韧性和可拉伸性。这些新型光学软材料主要可以分为以下几类：弹性体，胶体晶体，水凝胶和合成蛋白石[33]。美国麻省理工学院的Andreas等人利用聚苯乙烯聚合物作为覆盖层，以氟化聚合物为传输层制备了超高拉伸性和弹塑性的光波导感知器件，其拉伸强度可以超过300%，如图4（a）所示[34]。美国加州大学的Yadong Yin利用自组装的Fe3O4@SiO2胶体光聚合成聚乙二醇二丙烯酸酯基质来制造柔性光子纸，如图4（b）所示，并通过将光子功能纸转移到柔性PDMS基板来实现柔韧性[35]。中科院化学研究所宋延林团队制备了一种基于聚丙烯酰胺水凝胶的柔性光子晶体传感器，用于湿度传感，如图4（c）所示。当水凝胶材料吸收空气中的水分子时，光子晶体水凝胶的间距增加，并引起共振波峰值红移来做为感知依据[36]。德国聚合物研究所的Goetz P.Hellmann团队利用聚丙乙烯和PMMA的亚微米聚合物珠粒制造弹性蛋白石，通过结构变形来实现共振波长频移，如图4（d）所示[28]。尽管不同种类的新型软体材料在柔性光子器件领域不断得到发展，但在柔性纳米光栅结构器件上的新型柔性材料尚未得到明显的应用研究。

图4 柔性光子感知器件材料

1.3 柔性光子感知器件的制备方法

传统的纳米制备方法难以在柔性、非平面和不规则表面上实现特征尺寸小于100nm的纳米光子结构。传统纳米制造中所涉及到的高射频功率、工作稳定和强酸强碱都难以与柔性基底相兼容。如何在柔性材料上，制备出性能稳定的基于纳米光栅结构的柔性光子感知器件是实现柔性光子感知器件制备与应用的关键点。为攻克这一难题，许多新的制备方法被逐渐研究出来。其中，有软光刻法包括纳米复制成型和贴花转移光刻等，然而这些方法存在工艺复制和可用材料有限的问题。目前，比较适合柔性光子感知器件直接制造的方法有转移印刷法、喷墨印刷法、纳米复制成型法以及纳米模板光刻法等[37]。澳大利亚皇家墨尔本理工大学的Phiip Gutruf等人报道了利用转移印刷法将功能图案转移到柔性或可拉伸基本上，并制备了基于PDMS的ZnO薄膜，并实现应变感知，如图5（a）所示[38]。波士顿大学的Serap Aksu等人利用纳米模板光刻法在曲面基板上制作了可拉伸的蝴蝶结形表面等离子体器件，并证明了用纳米模板光刻法可以实现10纳米级别的特征分辨率，如图5（b）所示[39]。Thomas Griesser等人采用喷墨印刷方法制备基于光固化的可拉伸光波导器件；在应变或弯曲下，器件的透射率损失与应变成线性相关，平均10%的应变导致0.7dB的光传输损失，如图5（c）所示[40]。德国基尔大学的Karrock等人使用旋涂法将TiO2沉积在纳米复制成型的PDMS光栅基底上，作为柔性光子晶体光折射率材料层，该方法可以消除上层薄膜在拉伸过程中的断裂现象，如图5（d）所示[31]。新型的柔性光子感知器件研究方法为柔性光栅的快速、稳定、高精度及顺应性制备提供了大量新的制造方法。

图5 柔性光子感知器件制备方法

2 总结与展望

随着农业机器人智能化应用领域的不断扩大，光子感知器件制造的发展趋势呈现柔性化、快速成型和多功能集成等特点，柔性光子器件制造技术尤其是柔性光子材料旋涂复制成型法和纳米模板法的研究与应用取得了极大的进展，但现有旋涂法和纳米模板法技术大多处于初级探索进程，难以满足柔性光子器件稳定化和规模化的高效制造要求。其根本原因是柔性光子器件多层薄膜结构由柔性光学材料聚合、沉积和塑形的制造过程异常复杂，微纳米光栅感知器件的感知机理和转印成型模式等基本科学问题还尚待深入探索，如通过调控纳米光栅的结构参数、多层薄膜材料的有效折射率系数以及纳米结构改型来制备不同的光子感知器件、液态流动性光学材料的旋涂、凝结和塑形过程中涉及到的热膨胀效应、流变效应等物理性规律还有待进一步研究。同时，通过化学改性来提高柔性光学材料的可拉伸性和自适应贴合性的基础理论还有待形成，高效可控的批量化纳米光栅结构光子感知器件的制造工艺还有待开发。