電子皮膚讓機(jī)器人活了？有光就能發(fā)電，無需傳感器即可判斷物體接觸

近幾年有不少關(guān)于電子皮膚的研究突破，它本質(zhì)上是一種電子檢測(cè)裝置，用于模擬人體皮膚的特性和功能，幫助采集人體的各種生理信號(hào)、以及感知不同的環(huán)境刺激，實(shí)現(xiàn)人工觸覺的最基本功能。

除了人工義肢、醫(yī)療檢測(cè)和診斷等方面的應(yīng)用前景，電子皮膚最直接的應(yīng)用就是機(jī)器人。通過電子皮膚賦予機(jī)器人觸覺后，機(jī)器人能更充分、更精準(zhǔn)地獲取環(huán)境中的壓力信號(hào)，從而也能實(shí)現(xiàn)更多樣和有效的行動(dòng)。例如，傳統(tǒng)機(jī)器人缺乏對(duì)物體精確的力量反饋，對(duì)尺寸較小、柔軟的物體也很難精確地進(jìn)行抓握和操縱。

而電子皮膚則可提供精細(xì)的力學(xué)反饋，幫助機(jī)器人完成準(zhǔn)確的抓握和操縱任務(wù)。

人類皮膚的觸覺是難以模擬的，電子皮膚還需要具有彈性、延展性、溫度感知、壓力感知等特性。此外還得能讀取數(shù)據(jù)。如何提高電子皮膚的續(xù)航，也一直是業(yè)界的一大挑戰(zhàn)。

英國格拉斯哥大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出的解決方案是：利用太陽能。早在 2017 年，格拉斯哥大學(xué)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一款靈活的“電子皮膚”系統(tǒng)，通過添加了由石墨烯制成的感光發(fā)電傳感器，該電子皮膚可感受壓力、并且反應(yīng)很快。通過利用石墨烯，他們還降低了這種電子皮膚的能源消耗，1 平方厘米的面積需要的能源僅 20mW，相當(dāng)于很小的光伏電池。

格拉斯哥大學(xué)的研究者還利用假肢，對(duì)電子皮膚進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示：當(dāng)電子皮膚上的貼片啟用后，假肢能夠像正常手一樣感覺并握住軟物體;但是當(dāng)不再使用皮膚貼片時(shí)，假肢將會(huì)把物體捏碎。

當(dāng)時(shí)該研究團(tuán)隊(duì)考慮的不僅是電子皮膚的靈活性、或者分布式傳感器的性能，其也在考慮如何使電子皮膚能夠自己供能。也就是說，在賦予了電子皮膚觸覺之后以及降低能耗之后，研究人員還希望它能夠“自給自足 ”。

3年之后，這個(gè)問題也解決了。格拉斯哥大學(xué)的研究者近期在發(fā)表在 IEEE Transactions on Robotics 上的論文，描述了包裹在其柔性太陽能皮膚中的機(jī)器人手，是如何在不使用專用和昂貴的觸摸傳感器的情況下與物體進(jìn)行互動(dòng)的。這種新型能發(fā)電的合成皮膚，可創(chuàng)造出價(jià)格更低的假肢和能夠感知的機(jī)器人。

這是格拉斯哥大學(xué)可彎曲電子和傳感技術(shù) （ BEST ） 小組由 Ravinder Dahiya 教授領(lǐng)導(dǎo)下在電子皮膚方面的最新發(fā)展。

研究中，他們展示了一種創(chuàng)新的電子皮膚，嵌入了太陽能電池和微小 LED 的合成聚合物，具有觸摸和近距離感應(yīng)功能，無需使用專用的觸摸傳感器。

為了解決續(xù)航問題，研究人員開發(fā)出一種由微型太陽能電池制成的電子皮膚，而且沒有專門的觸摸傳感器。近年來，觸摸敏感的電子皮膚在假肢和機(jī)器人中有許多實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用，但該項(xiàng)目是第一個(gè)能夠在不使用專用觸摸傳感器的情況下提供觸摸反饋的自發(fā)電電子皮膚。

不像其他同等設(shè)備需要額外的觸摸傳感器，這種沒有傳感器的電子皮膚不需要傳統(tǒng)的電源支持，事實(shí)上，電子皮膚本身就是能量的來源，能夠?yàn)槭植亢拖噙B的設(shè)備供電。所產(chǎn)生的電力還可以儲(chǔ)存在該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的柔性超級(jí)電容器等設(shè)備中，所以這種電子皮膚不需要經(jīng)常暴露在陽光下也能工作。

太陽能電池不僅能自己發(fā)電，電池產(chǎn)生的能量也足以為控制手部運(yùn)動(dòng)的微型執(zhí)行器供電，而且還有一些額外的功能，通過測(cè)量太陽能電池輸出的變化，可以為觸摸和近距離感應(yīng)提供觸覺功能。

只要有光，電子皮膚上的太陽能接觸到光照，電池就會(huì)自行發(fā)電。如果電池被接近的物體所遮擋，光的強(qiáng)度就會(huì)降低，因此產(chǎn)生的能量也會(huì)降低，當(dāng)電池與物體接觸時(shí)就會(huì)降為零。

該團(tuán)隊(duì)使用紅外 LED 與太陽能電池進(jìn)行近距離感應(yīng)，太陽能電池之間的簡單 LED 會(huì)將紅外光從接近的物體上反射出來以評(píng)估距離，并將兩種形式的光測(cè)量結(jié)合在一起，以達(dá)到更好的效果。

為驗(yàn)證他們的概念，研究人員將一只通用的 3D 打印機(jī)械手包裹在他們的電子皮膚上，然后記錄其與環(huán)境的互動(dòng)。測(cè)試顯示，覆蓋電子皮膚的機(jī)械手臂產(chǎn)生的能量約為 383.3 兆瓦。他們?cè)谡撐闹袌?bào)告說：“ 如果在整個(gè)身體區(qū)域都存在電子皮膚（約占 1.5 平方米的區(qū)域），可以產(chǎn)生超過 100 W 的能量 ”。下圖最下方部分為覆有電子的機(jī)器手的 3 個(gè)子系統(tǒng)，從下至上依次是能量管理、傳感、驅(qū)動(dòng)。

如圖，該電子皮膚能夠?qū)咏母鞣N物體進(jìn)行定位、邊緣檢測(cè)（Edge detection ） 和立體三維形狀評(píng)估。

研究人員表示，如果是自主的、電池供電的機(jī)器人，加上傳統(tǒng)的需要供電的電子皮膚會(huì)有很大的問題，因?yàn)檫@樣就會(huì)導(dǎo)致減少機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間。如果采用了格拉斯哥團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這種可以產(chǎn)生能源的電子皮膚，那么就可以大大提升機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間，因?yàn)槟憧梢栽跈C(jī)器人運(yùn)行期間繼續(xù)充電。

所以從本質(zhì)上講，該團(tuán)隊(duì)把如何為大面積的電子皮膚供電的這一大挑戰(zhàn)，變成了一個(gè)機(jī)會(huì)，他們把電子皮膚變成了一種能源生成的資源。

在應(yīng)用方面，在研究人員的設(shè)想中，除了在機(jī)器人領(lǐng)域之外，這種創(chuàng)新的電子皮膚還具有材料集成的傳感能力，因此有許多應(yīng)用例如假肢。

由于使用了太陽能電池作為觸摸傳感器，這就比其他電子皮膚更輕盈，這將有助于制造重量和尺寸最佳的假肢，從而讓假肢使用者更方便地使用。研究人員表示，真正的行動(dòng)是在電子皮膚接觸物體之后才開始的，而他們的帶有太陽能電池的電子皮膚可以領(lǐng)先一步，因?yàn)樗谖矬w接近時(shí)就識(shí)別到了物體，這樣就有了更多的時(shí)間準(zhǔn)備行動(dòng)，該特性可用于有效減少腦機(jī)接口中經(jīng)常出現(xiàn)的時(shí)延問題。

在自動(dòng)化領(lǐng)域，特別是在電氣和交互式車輛方面也可能應(yīng)用。一輛覆蓋著太陽能電子皮膚的汽車，由于其近距離感應(yīng)能力，將能夠“看到”接近的障礙物或人。研究人員表示，這當(dāng)然不是生物意義上的用眼睛去看，而是從機(jī)器的角度出發(fā)。此外，手勢(shì)也可以被識(shí)別，并可用于基于手勢(shì)的控制，還可以應(yīng)用于游戲中的手勢(shì)識(shí)別控等其他領(lǐng)域。

該團(tuán)隊(duì)還試驗(yàn)過將這種電子皮膚加到機(jī)械臂的末端，類似于汽車制造廠等地方的機(jī)械臂。電子皮膚的傳感器能夠在感應(yīng)到意外物體時(shí)停止手臂的運(yùn)動(dòng)，這有助于防止工業(yè)事故的發(fā)生。

在實(shí)驗(yàn)室中，測(cè)試是用 650 勒克斯的單一白光光源進(jìn)行的，但研究人員認(rèn)為，如果他們的電子皮膚可以區(qū)分的多種光源，就會(huì)產(chǎn)生很多有趣的可能性。為此他們正在探索不同的人工智能技術(shù)，以創(chuàng)新的方式處理數(shù)據(jù)以便他們可以識(shí)別光源的方向以及物體。

該團(tuán)隊(duì)的成就讓我們更接近一種靈活、自供電、高性價(jià)比的電子皮膚，既能感知觸摸，還能 “看”。然而，目前，仍然存在一些挑戰(zhàn)，其中之一就是靈活性，在原型中，他們使用了由非晶硅制成的商用太陽能電池，每個(gè)電池的體積都是 1 厘米 × 1 厘米。雖然被集成在柔性基板上，這種電子皮膚還不夠靈活，研究人員目前正在探索基于納米線的太陽能電池。另一個(gè)不足之處是“集成挑戰(zhàn)”，即如何使這種太陽能電子皮膚與不同的材料一起配合。

電影《星球大戰(zhàn)》中， 盧克天行者的機(jī)械手擁有完整的感覺能力，能夠非常靈敏地感覺到外界壓力。30 年過去了，我們也看到，電影中的畫面越來越成為一種現(xiàn)實(shí)，電子皮膚正在成為未來電子工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向和趨勢(shì)。

雖然還有很多科學(xué)問題要解決，但電子皮膚未來可期。或許在未來，你不僅可以給你的手機(jī)系統(tǒng)、游戲角色換皮膚，還能真正給你自己換上電子皮膚。

（摘自美《深科技》）（編輯/華生）