对于软体机器人和微创医疗导管而言，拥有“本体感觉”至关重要——只有动态感知自身在三维空间中的形状，才能实现精准运动控制与导航。光纤形状传感因兼具柔性、轻量化和抗电磁干扰等优势，是实现这一功能的重要技术路线。然而，该领域长期存在一个技术瓶颈：高精度三维形状感知通常依赖多芯光纤或多光纤结构，传感器尺寸难以满足微创医疗和微型机器人对极限空间的需求。如何利用一根普通单模光纤实现高分辨率三维形状感知，一直是光纤传感领域的重要挑战。

近期，西北大学光纤传感团队提出了一种全新的三维散射编码形变传感机制。研究人员利用飞秒激光在单模光纤内部构建错位正交偏心散射体阵列，赋予了普通单模光纤三维空间感知能力。该技术突破了传统多芯、多通道方案对传感器尺寸的限制，在保持超小尺寸的同时实现高空间分辨率三维形状重建，为软体机器人、介入医疗、人工感知系统等领域提供了新的解决方案。相关成果以“Single-fiber three-dimensional shape sensing via femtosecond laser inscribed orthogonal eccentric scatterers”为题发表于《Light: Science & Applications》。

研究背景

三维形状感知是软体机器人、介入医疗导管及人工感知系统实现精准控制和空间导航的关键技术。作为重要的感知手段，光纤形状传感器兼具柔性好、尺寸小和抗电磁干扰等优势。然而，当前高性能三维形状传感方案大多依赖多芯光纤或多通道测量结构，在获得高精度形状信息的同时，也带来了尺寸增加、系统复杂度提升等问题，限制了其在微型机器人和微创医疗等极端空间受限场景中的应用。

另一方面，标准单模光纤具有成熟的产业基础、极小的结构尺寸以及优异的机械柔性，是理想的微型化传感平台。然而，由于单模光纤仅包含单个光传输通道，长期以来难以同时获取多个方向的形变信息，缺乏三维形状感知能力。如何利用一根标准单模光纤实现高空间分辨率的三维形变编码与重构，成为光纤传感领域长期面临的重要挑战。

创新研究

针对上述问题，研究团队提出了一种基于错位正交偏心散射体阵列（Misplaced Orthogonal Eccentric Scatterers, MOESs）的全新三维散射编码形变感知机制。研究人员利用飞秒激光直写技术在标准单模光纤包层中精确写入偏心散射体，并通过正交错位排布构建空间编码结构，将不同方向的局部弯曲信息映射到散射强度变化之中。与传统依赖多芯结构或多通道测量的方案不同，该方法赋予了普通单模光纤三维空间感知能力，为构建超小型、高集成度、高空间分辨率的新一代光纤形状传感系统提供了全新的技术路线。

图1：基于错位正交偏心散射体阵列的三维形状传感方案和飞秒激光制备流程

亮点1 给光纤建立“空间三维坐标系”

研究团队摒弃了多芯光纤依赖多个独立通道传感的思路，在单根标准单模光纤包层内部，通过飞秒激光逐点写入散射体阵列。这些散射体并非随机分布，而是按照特定规则进行错位和正交排列，这种空间排布方式使得每一个散射体都能够感知特定方向上的弯曲信息。多个散射体共同组成一种新的“时间-空间”编码方式，从而将三维形变信息映射到单通道散射信号之中。换句话说，相当于在一根普通光纤内部建立了一套三维坐标系统。

图2：错位正交偏心散射体阵列的三维编码方式；光纤向不同方向弯曲时模场偏移与对应的散射峰值强度变化趋势

亮点2 用散射光读取三维形变

散射体被设计在光纤包层内，当光纤发生弯曲时，纤芯中的光场分布会发生偏移。由于散射体与光场的重叠程度发生变化，其对应的瑞利散射强度也会随之改变。研究团队发现，不同方向的偏心散射体对弯曲方向具有不同响应特征，通过监测散射峰强度变化，即可获得局部弯曲曲率和方向信息。进一步地，利用错位正交结构构建的编码规则，可以实现连续三维形状重建能力。实验结果表明，该传感器能够准确重建圆弧、S形、交叉弯曲等复杂空间形态，实现毫米级空间分辨率的三维形状感知。

图3：MOESs阵列光纤实现不同光纤弯曲变形的重构

亮点3 从“波长编码”到“三维空间编码”

传统光纤传感器通常依赖波长进行信息区分，随着传感点数量增加，有限的光谱资源逐渐成为系统扩容的瓶颈。MOESs方案则采用空间位置进行信息编码，每个散射体的位置本身就是编码的一部分。因此，传感点数量不再受光谱带宽限制，而主要取决于传输损耗和解调系统空间分辨率。这种从“波长编码”向“三维空间编码”的转变，为构建超高密度、超小尺寸光纤形状传感系统提供了新的技术路线。

总结与展望

该研究提出基于错位正交偏心散射体阵列的三维形变编码机制，使标准单模光纤具备了三维空间感知能力，实现了单根单模光纤、单通道条件下的三维形状重建。这一方法突破了传统形状传感技术在尺寸、分辨率与系统复杂度之间的相互制约，为微型化、高集成度光纤形状传感系统提供了新的技术路线。未来，该技术有望应用于软体机器人、介入医疗导航和人工感知系统等领域，为下一代智能感知平台发展提供支撑。

论文信息

Luo, P., Chen, F., Guo, T. et al. Single-fiber three-dimensional shape sensing via femtosecond laser inscribed orthogonal eccentric scatterers. Light Sci Appl15, 343 (2026).

https://doi.org/10.1038/s41377-026-02425-z

通讯作者为西北大学王若晖教授和陈凤仪副教授，博士生雒鹏涛为第一作者，该工作在乔学光教授和暨南大学郭团教授指导下完成。