電子皮膚讓機器人活了？有光就能發電，無需傳感器即可判斷物體接觸

近幾年有不少關于電子皮膚的研究突破，它本質上是一種電子檢測裝置，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、以及感知不同的環境刺激，實現人工觸覺的最基本功能。

除了人工義肢、醫療檢測和診斷等方面的應用前景，電子皮膚最直接的應用就是機器人。通過電子皮膚賦予機器人觸覺后，機器人能更充分、更精準地獲取環境中的壓力信號，從而也能實現更多樣和有效的行動。例如，傳統機器人缺乏對物體精確的力量反饋，對尺寸較小、柔軟的物體也很難精確地進行抓握和操縱。

而電子皮膚則可提供精細的力學反饋，幫助機器人完成準確的抓握和操縱任務。

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。此外還得能讀取數據。如何提高電子皮膚的續航，也一直是業界的一大挑戰。

英國格拉斯哥大學研究團隊提出的解決方案是：利用太陽能。早在 2017 年，格拉斯哥大學的團隊研發出了一款靈活的“電子皮膚”系統，通過添加了由石墨烯制成的感光發電傳感器，該電子皮膚可感受壓力、并且反應很快。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，相當于很小的光伏電池。

格拉斯哥大學的研究者還利用假肢，對電子皮膚進行了測試。結果顯示：當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;但是當不再使用皮膚貼片時，假肢將會把物體捏碎。

當時該研究團隊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，這個問題也解決了。格拉斯哥大學的研究者近期在發表在 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行互動的。這種新型能發電的合成皮膚，可創造出價格更低的假肢和能夠感知的機器人。

這是格拉斯哥大學可彎曲電子和傳感技術 （ BEST ） 小組由 Ravinder Dahiya 教授領導下在電子皮膚方面的最新發展。

研究中，他們展示了一種創新的電子皮膚，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功能，無需使用專用的觸摸傳感器。

為了解決續航問題，研究人員開發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器人中有許多實驗性應用，但該項目是第一個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電電子皮膚。

不像其他同等設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的電源支持，事實上，電子皮膚本身就是能量的來源，能夠為手部和相連的設備供電。所產生的電力還可以儲存在該團隊開發的柔性超級電容器等設備中，所以這種電子皮膚不需要經常暴露在陽光下也能工作。

太陽能電池不僅能自己發電，電池產生的能量也足以為控制手部運動的微型執行器供電，而且還有一些額外的功能，通過測量太陽能電池輸出的變化，可以為觸摸和近距離感應提供觸覺功能。

只要有光，電子皮膚上的太陽能接觸到光照，電池就會自行發電。如果電池被接近的物體所遮擋，光的強度就會降低，因此產生的能量也會降低，當電池與物體接觸時就會降為零。

該團隊使用紅外 LED 與太陽能電池進行近距離感應，太陽能電池之間的簡單 LED 會將紅外光從接近的物體上反射出來以評估距離，并將兩種形式的光測量結合在一起，以達到更好的效果。

為驗證他們的概念，研究人員將一只通用的 3D 打印機械手包裹在他們的電子皮膚上，然后記錄其與環境的互動。測試顯示，覆蓋電子皮膚的機械手臂產生的能量約為 383.3 兆瓦。他們在論文中報告說：“ 如果在整個身體區域都存在電子皮膚（約占 1.5 平方米的區域），可以產生超過 100 W 的能量 ”。下圖最下方部分為覆有電子的機器手的 3 個子系統，從下至上依次是能量管理、傳感、驅動。

如圖，該電子皮膚能夠對接近的各種物體進行定位、邊緣檢測（Edge detection ） 和立體三維形狀評估。

研究人員表示，如果是自主的、電池供電的機器人，加上傳統的需要供電的電子皮膚會有很大的問題，因為這樣就會導致減少機器人的續航時間。如果采用了格拉斯哥團隊研發的這種可以產生能源的電子皮膚，那么就可以大大提升機器人的續航時間，因為你可以在機器人運行期間繼續充電。

所以從本質上講，該團隊把如何為大面積的電子皮膚供電的這一大挑戰，變成了一個機會，他們把電子皮膚變成了一種能源生成的資源。

在應用方面，在研究人員的設想中，除了在機器人領域之外，這種創新的電子皮膚還具有材料集成的傳感能力，因此有許多應用例如假肢。

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先一步，因為它在物體接近時就識別到了物體，這樣就有了更多的時間準備行動，該特性可用于有效減少腦機接口中經常出現的時延問題。

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

該團隊還試驗過將這種電子皮膚加到機械臂的末端，類似于汽車制造廠等地方的機械臂。電子皮膚的傳感器能夠在感應到意外物體時停止手臂的運動，這有助于防止工業事故的發生。

在實驗室中，測試是用 650 勒克斯的單一白光光源進行的，但研究人員認為，如果他們的電子皮膚可以區分的多種光源，就會產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，以創新的方式處理數據以便他們可以識別光源的方向以及物體。

該團隊的成就讓我們更接近一種靈活、自供電、高性價比的電子皮膚，既能感知觸摸，還能 “看”。然而，目前，仍然存在一些挑戰，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。另一個不足之處是“集成挑戰”，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》中， 盧克天行者的機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實，電子皮膚正在成為未來電子工業發展的一個重要方向和趨勢。

雖然還有很多科學問題要解決，但電子皮膚未來可期?；蛟S在未來，你不僅可以給你的手機系統、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）