电子皮肤是指一类像皮肤一样柔软的内嵌感应元器件的传感器，它不仅能为机器人提供复杂的环境信息，还能应用于可穿戴设备以监测人体生命活动。常见的电子皮肤利用微机电传感器系统（MEMS），这种电子皮肤能在外界环境变化时产生微小的电流变化，从而反映电子皮肤当前的状态。大多数相关研究希望通过电子皮肤来感应环境变化，例如温度和湿度，但鲜有研究涉足电子皮肤的形变感应。其中一个重要原因是，少量且离散分布的微机电传感元件无法进行高精度的皮肤形态监测，如果增加元件数量不仅会抬高成本，还会降低电子皮肤的柔软度。因此，如何利用内嵌少量元件的电子皮肤进行高精度的形态感应仍然是一个值得探索的研究方向。
受到光学传感器的启发，郭嘉威研究团队研制了一种可用于光学电子皮肤形态感应的智能系统。此系统中的光学电子皮肤由简单的光学元器件（发光二极管和光电二极管）构成，当它受到外力而发生形态变化（例如弯曲和扭曲）时，电子皮肤内层的光路传播将受到影响，部分光线会反射和折射，因此光电二极管收到的光信号会发生改变。利用光信号对自身形变敏感这一特性，团队设计了一种基于自回归的神经网络来建立光信号与电子皮肤形变之间的模型。输入历史的皮肤形变和当前的光信号，该神经网络就能输出当前的皮肤形变。
然而，无论是用红外光学追踪系统还是电磁定位系统，均只能通过追踪粘附在电子皮肤上的标志物来捕捉电子皮肤形变信息。但离散分布的标志物无法准确描述电子皮肤整体的形变，因此，如何得到电子皮肤连续形变的信息仍然是个难题。团队设计了一种基于有限元分析的内插值方法：用网格细分电子皮肤的三维模型，并将实验采集的离散标志物坐标作为约束输入进力学模型中，以此得到网格各点的形变信息。该方法实现了从离散到密集的插值，只要插值网格足够细致，插值结果就能准确表达电子皮肤整体的形变。除此之外，还有另一个难题：发光二极管和光电二极管在电子皮肤内的排布会影响信号质量，而低质量数据会影响神经网络的训练。因此，团队利用多物理场仿真针对光学元器件排布对光信号的影响进行了仿真。仿真结果表明，对于一块A5尺寸（148.5×210mm）的方形电子皮肤而言，至少需要布置三对发光二极管-光电二极管，而且它们须摆放得相对近（约75mm）、光电二极管的受光面须尽可能正对着发光二极管。在此基础上，团队制作了一块鱼形的光学电子皮肤，并在水下完成了皮肤形变感应实验。这块“鱼皮”通过蓝牙进行信息传输，无须额外的连线，保证了它自成一体的特性。尽管这块“鱼皮”在水下的形变复杂多样，例如存在弯曲和扭转的结合，但它仍能对自我形变进行准确感知，平均距离误差约为0.27mm。除了本文中提到的光学电子皮肤，该研究提出的形态感应方法还可以用于其他类型的电子皮肤，只需该电子皮肤能提供高质量的对形变敏感的感应信号。
相关工作以 “Intelligent Shape Decoding of a Soft Optical Waveguide Sensor” 为题，发表在Advanced Intelligent Systems （DOI: http://doi.org/10.1002/aisy.202300082）上。香港大学机械工程系硕士研究生麦志轩、博士研究生李颖琦为本文共同第一作者，博士研究生李颖琦和郭嘉威博士为本文的共同通讯作者。
