面向農(nóng)業(yè)機器人的光子感知器件研究進展*

彭 望，廖慶喜

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，湖北 武漢 430070；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 作物納米生物學(xué)與技術(shù)中心，湖北 武漢 430070）

隨著《中國制造2025》《關(guān)于加快推進農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導(dǎo)意見》《農(nóng)機裝備發(fā)展行動方案（2016-2025）》等重大方針政策的提出與實施，標(biāo)志著我國已經(jīng)進入農(nóng)業(yè)機器人高速發(fā)展的時代[1-3]。智能感知是實現(xiàn)智慧農(nóng)機的關(guān)鍵技術(shù)，也是農(nóng)業(yè)機器人研究領(lǐng)域的重大難題。中國工程院院士趙春江指出，農(nóng)業(yè)專用傳感器落后是我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的短板技術(shù)；我國目前自主研發(fā)農(nóng)業(yè)傳感器數(shù)量不到世界的10%[4]。各主要現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)大國均對農(nóng)業(yè)機器人智能感知技術(shù)進行了重點部署：2017年歐洲農(nóng)業(yè)機械協(xié)會提出智慧農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)4.0）、2017年美國政府推出《國家機器人計劃2.0》、2020年中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)《數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃（2019-2025年）》的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化戰(zhàn)略規(guī)劃[5-7]。農(nóng)業(yè)機器人要實現(xiàn)動態(tài)環(huán)境適應(yīng)性操作，獲得實時、高精、可靠的感知數(shù)據(jù)，以及實現(xiàn)機器、人和環(huán)境之間更緊密交互均依賴于農(nóng)業(yè)的機器人智能感知器件[8]。研制出面向農(nóng)業(yè)機器人的智能感知器件，從而推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的順利實現(xiàn)，是當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展急需突破的關(guān)鍵點。

對于一些精細化的智慧農(nóng)業(yè)自動化操作，例如果蔬采摘、稻田除草、農(nóng)場除草、作物監(jiān)測等，通常需要實時處理不確定情況，如圖1所示[9-12]；因此，必須利用先進感知技術(shù)取得機器人與作物交互過程中周邊環(huán)境的實時變化信息，以利于做出智能化的決策判斷。在過去的幾年里，機器人技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，以形成能夠提高生產(chǎn)率和競爭力的智能農(nóng)機裝備。準(zhǔn)確而穩(wěn)定的環(huán)境感知能力是解決包括環(huán)境監(jiān)測、安全交互、成分鑒定等未解決問題，以及提高農(nóng)業(yè)機器人整體感知能力的核心[13]。適應(yīng)性強的感知技術(shù)能夠在不斷變化的氣候和周邊環(huán)境中及時采集感知狀態(tài)信息，主要包括定位、環(huán)境監(jiān)測、分類、檢測等；而當(dāng)前面向農(nóng)業(yè)機器人的傳感技術(shù)發(fā)展主要集中在自動化、制導(dǎo)、態(tài)勢感知和過程監(jiān)控方面，常用的相關(guān)傳感器包括GPS、紅外傳感器、機器視覺、光探測和測距（激光雷達）以及超聲波傳感器[14]。在農(nóng)業(yè)機器人智能感知領(lǐng)域，對于進行觸覺、化學(xué)成分（氮指數(shù)、養(yǎng)分、干物質(zhì)、蛋白質(zhì)等）、溫度、濕度等狀態(tài)進行探測的光子類感知器件研究還處于探索階段[15]。

圖1 農(nóng)業(yè)機器人精細化應(yīng)用場景

傳統(tǒng)農(nóng)機裝備通常被設(shè)定在人工布局好、可控的、環(huán)境信息已知的結(jié)構(gòu)化、任務(wù)單一的工作環(huán)境中，而未進行人、機器和環(huán)境三者之間信息的實時感知，難以滿足智慧農(nóng)業(yè)時代下農(nóng)業(yè)機器人在自然、不可預(yù)知的非結(jié)構(gòu)性動態(tài)環(huán)境的應(yīng)用需求[16]。目前，世界頂尖學(xué)術(shù)機構(gòu)和研究所均對機器人光子感知器件進行了深入的研究與探索，如圖2所示[17-20]。基于柔性光學(xué)材料的機器人感知器件能夠順應(yīng)性地貼合在機器人表面，實時感知機器與環(huán)境之間的交互作用所產(chǎn)生的多模態(tài)物理信息，為后端智能控制系統(tǒng)提供動態(tài)環(huán)境信息以輔助后續(xù)基于智能感知反饋的決策與柔性操作，從而有利于實現(xiàn)機器人在動態(tài)復(fù)雜環(huán)境中的自適應(yīng)操作。柔性光學(xué)材料具備能實現(xiàn)感知作物生長環(huán)境信息、機器與環(huán)境交互作用信息，以及多機器人系統(tǒng)狀態(tài)的功能，并具有高度的順應(yīng)性、自適應(yīng)性、靈敏度和抗干擾能力，在未來會成為農(nóng)業(yè)機器人智能感知系統(tǒng)的重要組成。柔性納米光柵結(jié)構(gòu)通過將基于有機或無機的柔性光學(xué)材料制作成具有柔性或可拉伸性的納米光柵結(jié)構(gòu)的感知器件，以應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機器人感知領(lǐng)域。將基于納米光柵結(jié)構(gòu)的光子感知器件應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機器人感知系統(tǒng)，能夠滿足農(nóng)業(yè)機器人運行環(huán)境下對感知器件的性能要求。

圖2 面向智能機器人的柔性感知器件

1 面向農(nóng)業(yè)機器人的光子感知器件

1.1 基于光柵的柔性光子感知器件

光柵是任何規(guī)則間隔的相同平行細長的納米光學(xué)元件的集合[21]。以納米光柵為基礎(chǔ)，根據(jù)不同的光學(xué)原理可以衍生出大量的光學(xué)感知器件，如衍射光柵[22]，光波導(dǎo)[23]，光子晶體[24]，表面等離子體共振器件[25]以及拉曼光譜增強器件[26]。傳統(tǒng)的光柵結(jié)構(gòu)類器件主要是以硬質(zhì)材料制備的，如 SiO2、Si3N4、Si、SiO2等，由于剛度大，其在制備完成后，其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)剛性固定模式[27]。為擴展和增強光子感知器件在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜多變環(huán)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、靈敏性、穩(wěn)定性和可重構(gòu)性[28]。柔性可拉伸的光子感知器件能夠自適應(yīng)貼合在不規(guī)則曲面，與傳統(tǒng)的剛性器件相比，能夠?qū)崿F(xiàn)新的基于器件形變的感知功能（應(yīng)力、應(yīng)變、表面輪廓、濕度、溫度、化學(xué)成分分析等）。基于納米光柵的柔性感知器件具有精度高，尺寸小，低回滯，抗電磁干擾和生物兼容性好的特點，具有被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域的潛力。

以納米光柵結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計和制造多類柔性光子感知器件是實現(xiàn)柔性光子技術(shù)在農(nóng)業(yè)機器人多模態(tài)感知領(lǐng)域應(yīng)用的核心。當(dāng)前，以微納光柵結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的柔性光子感知器件已經(jīng)有了初步的研究進展。德國弗朗霍夫研究所的Alexander等人利用全息技術(shù)和紫外光模板固化法在混有苯甲酮光敏分子的PDMS材料上制備出柔性衍射光柵光，如圖3（a）所示；當(dāng)對該柔性光柵施加75%的應(yīng)變時，該柔性衍射光柵能夠覆蓋整個可見光波段（410nm至700nm）[29]。美國斯坦福大學(xué)鮑哲楠課題組在Advanced Materials上發(fā)表了利用光柵模板制備的基于PDMS柔性光學(xué)材料的柔性光波導(dǎo)器件，其利用光波導(dǎo)耦合光柵的輸出光強度變化進行壓力、應(yīng)變等感知，如圖3（b）所示，其感知的壓力靈敏度達到0.2kPa-1[30]。德國Karrock課題組利用硅片光柵模板壓印成型基于PDMS的光柵基底，并分別旋涂TiO2納米粒子顆粒于其上，制備出具有柔性和可拉伸性的基于PDMS光柵基底的光子晶體傳感器，如圖3（c）所示；當(dāng)拉伸應(yīng)變達到120%時，柔性可拉伸光子晶體的共振波長紅移88nm[31]。日本的Honma課題組利用亞微米波長的鋁光柵陣列制作出可以調(diào)控的表面等離子體感知器件，如圖3（d）所示；鋁光柵周期可以由靜電力驅(qū)動器進行調(diào)制，其表面等離子體共振波長的調(diào)制范圍可以從542nm到668nm的區(qū)間變化[32]?；诩{米光柵結(jié)構(gòu)的柔性光子感知器件已經(jīng)取得了一些初步的成果，但在柔性光子感知器件的電磁機理研究和細致深入的應(yīng)用方面尚未開展相關(guān)工作。

圖3 基于光柵的柔性光子器件

1.2 柔性光子感知器件的材料

基于納米光柵結(jié)構(gòu)的光子感知器件要實現(xiàn)柔性和可拉伸性，需要以具有光學(xué)透明性的新型軟材料為基石。近十年來，應(yīng)用于制造柔性和可拉伸性光子感知器件的新型材料被不斷開發(fā)出來，它們具有幾個共性特征，包括透明度、柔韌性和可拉伸性。這些新型光學(xué)軟材料主要可以分為以下幾類：彈性體，膠體晶體，水凝膠和合成蛋白石[33]。美國麻省理工學(xué)院的Andreas等人利用聚苯乙烯聚合物作為覆蓋層，以氟化聚合物為傳輸層制備了超高拉伸性和彈塑性的光波導(dǎo)感知器件，其拉伸強度可以超過300%，如圖4（a）所示[34]。美國加州大學(xué)的Yadong Yin利用自組裝的Fe3O4@SiO2膠體光聚合成聚乙二醇二丙烯酸酯基質(zhì)來制造柔性光子紙，如圖4（b）所示，并通過將光子功能紙轉(zhuǎn)移到柔性PDMS基板來實現(xiàn)柔韌性[35]。中科院化學(xué)研究所宋延林團隊制備了一種基于聚丙烯酰胺水凝膠的柔性光子晶體傳感器，用于濕度傳感，如圖4（c）所示。當(dāng)水凝膠材料吸收空氣中的水分子時，光子晶體水凝膠的間距增加，并引起共振波峰值紅移來做為感知依據(jù)[36]。德國聚合物研究所的Goetz P.Hellmann團隊利用聚丙乙烯和PMMA的亞微米聚合物珠粒制造彈性蛋白石，通過結(jié)構(gòu)變形來實現(xiàn)共振波長頻移，如圖4（d）所示[28]。盡管不同種類的新型軟體材料在柔性光子器件領(lǐng)域不斷得到發(fā)展，但在柔性納米光柵結(jié)構(gòu)器件上的新型柔性材料尚未得到明顯的應(yīng)用研究。

圖4 柔性光子感知器件材料

1.3 柔性光子感知器件的制備方法

傳統(tǒng)的納米制備方法難以在柔性、非平面和不規(guī)則表面上實現(xiàn)特征尺寸小于100nm的納米光子結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)納米制造中所涉及到的高射頻功率、工作穩(wěn)定和強酸強堿都難以與柔性基底相兼容。如何在柔性材料上，制備出性能穩(wěn)定的基于納米光柵結(jié)構(gòu)的柔性光子感知器件是實現(xiàn)柔性光子感知器件制備與應(yīng)用的關(guān)鍵點。為攻克這一難題，許多新的制備方法被逐漸研究出來。其中，有軟光刻法包括納米復(fù)制成型和貼花轉(zhuǎn)移光刻等，然而這些方法存在工藝復(fù)制和可用材料有限的問題。目前，比較適合柔性光子感知器件直接制造的方法有轉(zhuǎn)移印刷法、噴墨印刷法、納米復(fù)制成型法以及納米模板光刻法等[37]。澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的Phiip Gutruf等人報道了利用轉(zhuǎn)移印刷法將功能圖案轉(zhuǎn)移到柔性或可拉伸基本上，并制備了基于PDMS的ZnO薄膜，并實現(xiàn)應(yīng)變感知，如圖5（a）所示[38]。波士頓大學(xué)的Serap Aksu等人利用納米模板光刻法在曲面基板上制作了可拉伸的蝴蝶結(jié)形表面等離子體器件，并證明了用納米模板光刻法可以實現(xiàn)10納米級別的特征分辨率，如圖5（b）所示[39]。Thomas Griesser等人采用噴墨印刷方法制備基于光固化的可拉伸光波導(dǎo)器件；在應(yīng)變或彎曲下，器件的透射率損失與應(yīng)變成線性相關(guān)，平均10%的應(yīng)變導(dǎo)致0.7dB的光傳輸損失，如圖5（c）所示[40]。德國基爾大學(xué)的Karrock等人使用旋涂法將TiO2沉積在納米復(fù)制成型的PDMS光柵基底上，作為柔性光子晶體光折射率材料層，該方法可以消除上層薄膜在拉伸過程中的斷裂現(xiàn)象，如圖5（d）所示[31]。新型的柔性光子感知器件研究方法為柔性光柵的快速、穩(wěn)定、高精度及順應(yīng)性制備提供了大量新的制造方法。

圖5 柔性光子感知器件制備方法

2 總結(jié)與展望

隨著農(nóng)業(yè)機器人智能化應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，光子感知器件制造的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)柔性化、快速成型和多功能集成等特點，柔性光子器件制造技術(shù)尤其是柔性光子材料旋涂復(fù)制成型法和納米模板法的研究與應(yīng)用取得了極大的進展，但現(xiàn)有旋涂法和納米模板法技術(shù)大多處于初級探索進程，難以滿足柔性光子器件穩(wěn)定化和規(guī)?；母咝е圃煲?。其根本原因是柔性光子器件多層薄膜結(jié)構(gòu)由柔性光學(xué)材料聚合、沉積和塑形的制造過程異常復(fù)雜，微納米光柵感知器件的感知機理和轉(zhuǎn)印成型模式等基本科學(xué)問題還尚待深入探索，如通過調(diào)控納米光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)、多層薄膜材料的有效折射率系數(shù)以及納米結(jié)構(gòu)改型來制備不同的光子感知器件、液態(tài)流動性光學(xué)材料的旋涂、凝結(jié)和塑形過程中涉及到的熱膨脹效應(yīng)、流變效應(yīng)等物理性規(guī)律還有待進一步研究。同時，通過化學(xué)改性來提高柔性光學(xué)材料的可拉伸性和自適應(yīng)貼合性的基礎(chǔ)理論還有待形成，高效可控的批量化納米光柵結(jié)構(gòu)光子感知器件的制造工藝還有待開發(fā)。