面向農(nóng)業(yè)機(jī)器人的光子感知器件研究進(jìn)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(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)制造2025》《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的指導(dǎo)意見》《農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展行動(dòng)方案（2016-2025）》等重大方針政策的提出與實(shí)施，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入農(nóng)業(yè)機(jī)器人高速發(fā)展的時(shí)代[1-3]。智能感知是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，也是農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究領(lǐng)域的重大難題。中國(guó)工程院院士趙春江指出，農(nóng)業(yè)專用傳感器落后是我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的短板技術(shù)；我國(guó)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(guó)均對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能感知技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)部署：2017年歐洲農(nóng)業(yè)機(jī)械協(xié)會(huì)提出智慧農(nóng)業(yè)（農(nóng)業(yè)4.0）、2017年美國(guó)政府推出《國(guó)家機(jī)器人計(jì)劃2.0》、2020年中國(guó)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(jī)器人要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境適應(yīng)性操作，獲得實(shí)時(shí)、高精、可靠的感知數(shù)據(jù)，以及實(shí)現(xiàn)機(jī)器、人和環(huán)境之間更緊密交互均依賴于農(nóng)業(yè)的機(jī)器人智能感知器件[8]。研制出面向農(nóng)業(yè)機(jī)器人的智能感知器件，從而推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的順利實(shí)現(xiàn)，是當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展急需突破的關(guān)鍵點(diǎn)。

對(duì)于一些精細(xì)化的智慧農(nóng)業(yè)自動(dòng)化操作，例如果蔬采摘、稻田除草、農(nóng)場(chǎng)除草、作物監(jiān)測(cè)等，通常需要實(shí)時(shí)處理不確定情況，如圖1所示[9-12]；因此，必須利用先進(jìn)感知技術(shù)取得機(jī)器人與作物交互過程中周邊環(huán)境的實(shí)時(shí)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(jī)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(jìng)爭(zhēng)力的智能農(nóng)機(jī)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(cè)、安全交互、成分鑒定等未解決問題，以及提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人整體感知能力的核心[13]。適應(yīng)性強(qiáng)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(shí)采集感知狀態(tài)信息，主要包括定位、環(huán)境監(jiān)測(cè)、分類、檢測(cè)等；而當(dāng)前面向農(nóng)業(yè)機(jī)器人的傳感技術(shù)發(fā)展主要集中在自動(dòng)化、制導(dǎo)、態(tài)勢(shì)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(jī)器視覺、光探測(cè)和測(cè)距（激光雷達(dá)）以及超聲波傳感器[14]。在農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能感知領(lǐng)域，對(duì)于進(jìn)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(jìn)行探測(cè)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(jī)器人精細(xì)化應(yīng)用場(chǎng)景

傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)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(jìn)行人、機(jī)器和環(huán)境三者之間信息的實(shí)時(shí)感知，難以滿足智慧農(nóng)業(yè)時(shí)代下農(nóng)業(yè)機(jī)器人在自然、不可預(yù)知的非結(jié)構(gòu)性動(dòng)態(tài)環(huán)境的應(yīng)用需求[16]。目前，世界頂尖學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和研究所均對(duì)機(jī)器人光子感知器件進(jìn)行了深入的研究與探索，如圖2所示[17-20]?；谌嵝怨鈱W(xué)材料的機(jī)器人感知器件能夠順應(yīng)性地貼合在機(jī)器人表面，實(shí)時(shí)感知機(jī)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(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人在動(dòng)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(shí)現(xiàn)感知作物生長(zhǎng)環(huán)境信息、機(jī)器與環(huán)境交互作用信息，以及多機(jī)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(huì)成為農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)或無機(jī)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(jī)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(jī)器人感知系統(tǒng)，能夠滿足農(nóng)業(yè)機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境下對(duì)感知器件的性能要求。

圖2 面向智能機(jī)器人的柔性感知器件

1 面向農(nóng)業(yè)機(jī)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(xì)長(zhǎng)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(qiáng)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(kuò)展和增強(qiáng)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）?；诩{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(diǎn)，具有被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的潛力。

以納米光柵結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)和制造多類柔性光子感知器件是實(shí)現(xiàn)柔性光子技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)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(jìn)展。德國(guó)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(duì)該柔性光柵施加75%的應(yīng)變時(shí)，該柔性衍射光柵能夠覆蓋整個(gè)可見光波段（410nm至700nm）[29]。美國(guó)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(qiáng)度變化進(jìn)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(dá)到0.2kPa-1[30]。德國(guó)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(dá)到120%時(shí)，柔性可拉伸光子晶體的共振波長(zhǎng)紅移88nm[31]。日本的Honma課題組利用亞微米波長(zhǎng)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(dòng)器進(jìn)行調(diào)制，其表面等離子體共振波長(zhǎng)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(jī)理研究和細(xì)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(shí)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(gè)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(guó)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(qiáng)度可以超過300%，如圖4（a）所示[34]。美國(guó)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(shí)現(xiàn)柔韌性[35]。中科院化學(xué)研究所宋延林團(tuán)隊(duì)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(shí)，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(guó)聚合物研究所的Goetz P.Hellmann團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)共振波長(zhǎng)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(shí)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(qiáng)酸強(qiáng)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(shí)現(xiàn)柔性光子感知器件制備與應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)。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(bào)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(shí)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(shí)現(xiàn)10納米級(jí)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(guó)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(jī)器人智能化應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，光子感知器件制造的發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)柔性化、快速成型和多功能集成等特點(diǎn)，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(jìn)展，但現(xiàn)有旋涂法和納米模板法技術(shù)大多處于初級(jí)探索進(jìn)程，難以滿足柔性光子器件穩(wěn)定化和規(guī)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(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(jī)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(dòng)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(jìn)一步研究。同時(shí)，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)。