面向農業機器人的光子感知器件研究進展*

彭 望，廖慶喜

（1.華中農業大學 工學院，湖北 武漢 430070；2.華中農業大學 長江中下游農業裝備重點實驗室，湖北 武漢 430070；3.華中農業大學 作物納米生物學與技術中心，湖北 武漢 430070）

隨著《中國制造2025》《關于加快推進農業機械化和農機裝備產業轉型升級的指導意見》《農機裝備發展行動方案（2016-2025）》等重大方針政策的提出與實施，標志著我國已經進入農業機器人高速發展的時代[1-3]。智能感知是實現智慧農機的關鍵技術，也是農業機器人研究領域的重大難題。中國工程院院士趙春江指出，農業專用傳感器落后是我國智慧農業發展的短板技術；我國目前自主研發農業傳感器數量不到世界的10%[4]。各主要現代化農業大國均對農業機器人智能感知技術進行了重點部署：2017年歐洲農業機械協會提出智慧農業（農業4.0）、2017年美國政府推出《國家機器人計劃2.0》、2020年中國農業農村部印發《數字農業農村發展規劃（2019-2025年）》的農業現代化戰略規劃[5-7]。農業機器人要實現動態環境適應性操作，獲得實時、高精、可靠的感知數據，以及實現機器、人和環境之間更緊密交互均依賴于農業的機器人智能感知器件[8]。研制出面向農業機器人的智能感知器件，從而推動農業現代化的順利實現，是當前我國農業發展急需突破的關鍵點。

對于一些精細化的智慧農業自動化操作，例如果蔬采摘、稻田除草、農場除草、作物監測等，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取得機器人與作物交互過程中周邊環境的實時變化信息，以利于做出智能化的決策判斷。在過去的幾年里，機器人技術被越來越多地應用于農業領域，以形成能夠提高生產率和競爭力的智能農機裝備。準確而穩定的環境感知能力是解決包括環境監測、安全交互、成分鑒定等未解決問題，以及提高農業機器人整體感知能力的核心[13]。適應性強的感知技術能夠在不斷變化的氣候和周邊環境中及時采集感知狀態信息，主要包括定位、環境監測、分類、檢測等；而當前面向農業機器人的傳感技術發展主要集中在自動化、制導、態勢感知和過程監控方面，常用的相關傳感器包括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]。在農業機器人智能感知領域，對于進行觸覺、化學成分（氮指數、養分、干物質、蛋白質等）、溫度、濕度等狀態進行探測的光子類感知器件研究還處于探索階段[15]。

圖1 農業機器人精細化應用場景

傳統農機裝備通常被設定在人工布局好、可控的、環境信息已知的結構化、任務單一的工作環境中，而未進行人、機器和環境三者之間信息的實時感知，難以滿足智慧農業時代下農業機器人在自然、不可預知的非結構性動態環境的應用需求[16]。目前，世界頂尖學術機構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]。基于柔性光學材料的機器人感知器件能夠順應性地貼合在機器人表面，實時感知機器與環境之間的交互作用所產生的多模態物理信息，為后端智能控制系統提供動態環境信息以輔助后續基于智能感知反饋的決策與柔性操作，從而有利于實現機器人在動態復雜環境中的自適應操作。柔性光學材料具備能實現感知作物生長環境信息、機器與環境交互作用信息，以及多機器人系統狀態的功能，并具有高度的順應性、自適應性、靈敏度和抗干擾能力，在未來會成為農業機器人智能感知系統的重要組成。柔性納米光柵結構通過將基于有機或無機的柔性光學材料制作成具有柔性或可拉伸性的納米光柵結構的感知器件，以應用于現代農業機器人感知領域。將基于納米光柵結構的光子感知器件應用于農業機器人感知系統，能夠滿足農業機器人運行環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 面向農業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

光柵是任何規則間隔的相同平行細長的納米光學元件的集合[21]。以納米光柵為基礎，根據不同的光學原理可以衍生出大量的光學感知器件，如衍射光柵[22]，光波導[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]。傳統的光柵結構類器件主要是以硬質材料制備的，如 SiO2、Si3N4、Si、SiO2等，由于剛度大，其在制備完成后，其結構呈現剛性固定模式[27]。為擴展和增強光子感知器件在智慧農業領域復雜多變環境下的感知需求，大量的研究工作聚焦于使光子感知器件具有柔性、靈敏性、穩定性和可重構性[28]。柔性可拉伸的光子感知器件能夠自適應貼合在不規則曲面，與傳統的剛性器件相比，能夠實現新的基于器件形變的感知功能（應力、應變、表面輪廓、濕度、溫度、化學成分分析等）。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，具有被廣泛應用于農業機器人領域的潛力。

以納米光柵結構為基礎，設計和制造多類柔性光子感知器件是實現柔性光子技術在農業機器人多模態感知領域應用的核心。當前，以微納光柵結構為基礎的柔性光子感知器件已經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；當對該柔性光柵施加75%的應變時，該柔性衍射光柵能夠覆蓋整個可見光波段（410nm至700nm）[29]。美國斯坦福大學鮑哲楠課題組在Advanced Materials上發表了利用光柵模板制備的基于PDMS柔性光學材料的柔性光波導器件，其利用光波導耦合光柵的輸出光強度變化進行壓力、應變等感知，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；當拉伸應變達到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動器進行調制，其表面等離子體共振波長的調制范圍可以從542nm到668nm的區間變化[32]。基于納米光柵結構的柔性光子感知器件已經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用方面尚未開展相關工作。

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

基于納米光柵結構的光子感知器件要實現柔性和可拉伸性，需要以具有光學透明性的新型軟材料為基石。近十年來，應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來制造柔性光子紙，如圖4（b）所示，并通過將光子功能紙轉移到柔性PDMS基板來實現柔韌性[35]。中科院化學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[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，通過結構變形來實現共振波長頻移，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域不斷得到發展，但在柔性納米光柵結構器件上的新型柔性材料尚未得到明顯的應用研究。

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

傳統的納米制備方法難以在柔性、非平面和不規則表面上實現特征尺寸小于100nm的納米光子結構。傳統納米制造中所涉及到的高射頻功率、工作穩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，制備出性能穩定的基于納米光柵結構的柔性光子感知器件是實現柔性光子感知器件制備與應用的關鍵點。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制成型和貼花轉移光刻等，然而這些方法存在工藝復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移印刷法、噴墨印刷法、納米復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的Phiip Gutruf等人報道了利用轉移印刷法將功能圖案轉移到柔性或可拉伸基本上，并制備了基于PDMS的ZnO薄膜，并實現應變感知，如圖5（a）所示[38]。波士頓大學的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器件；在應變或彎曲下，器件的透射率損失與應變成線性相關，平均10%的應變導致0.7dB的光傳輸損失，如圖5（c）所示[40]。德國基爾大學的Karrock等人使用旋涂法將TiO2沉積在納米復制成型的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、穩定、高精度及順應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 總結與展望

隨著農業機器人智能化應用領域的不斷擴大，光子感知器件制造的發展趨勢呈現柔性化、快速成型和多功能集成等特點，柔性光子器件制造技術尤其是柔性光子材料旋涂復制成型法和納米模板法的研究與應用取得了極大的進展，但現有旋涂法和納米模板法技術大多處于初級探索進程，難以滿足柔性光子器件穩定化和規模化的高效制造要求。其根本原因是柔性光子器件多層薄膜結構由柔性光學材料聚合、沉積和塑形的制造過程異常復雜，微納米光柵感知器件的感知機理和轉印成型模式等基本科學問題還尚待深入探索，如通過調控納米光柵的結構參數、多層薄膜材料的有效折射率系數以及納米結構改型來制備不同的光子感知器件、液態流動性光學材料的旋涂、凝結和塑形過程中涉及到的熱膨脹效應、流變效應等物理性規律還有待進一步研究。同時，通過化學改性來提高柔性光學材料的可拉伸性和自適應貼合性的基礎理論還有待形成，高效可控的批量化納米光柵結構光子感知器件的制造工藝還有待開發。