電子皮膚來了！新突破可自己供能

電子皮膚來了！

人造皮膚領(lǐng)域“材料大師”、化學(xué)家、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系系主任鮑哲南曾這樣描述她在電子人造皮膚領(lǐng)域的研究初衷。

在鮑哲南等科學(xué)家的設(shè)想中，這種黑科技能夠協(xié)助假肢理解觸摸、彎曲或按壓等動作，因此配有假肢的群體得以恢復(fù)對外界的真實感知。

其實，除了人工義肢、醫(yī)療檢測和診斷等方面的應(yīng)用前景，電子皮膚還能應(yīng)用于機器人——提升機器人的柔韌性和延展性，甚至讓機器人像人類一樣在面對疼痛時做出反應(yīng)。

電子皮膚發(fā)展至今，其厚度、響應(yīng)速度等性能不斷提升，但作為移動電子設(shè)備，電子皮膚的續(xù)航問題也是一大關(guān)鍵。

為此，英國格拉斯哥大學(xué)研究團隊提出了一項方案：利用太陽光，向電子皮膚供能。2017 年 3 月 22 日，該團隊題為Energy‐Autonomous， Flexible， and Transparent Tactile Skin（自供能、靈活、透明的觸覺皮膚）的論文發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《先進功能材料》。

當時，研究團隊稱：相比其他只受電池驅(qū)動的材料，這類電子皮膚工作的時間將更長，同時又不會像有線電子產(chǎn)品那樣移動受限。

時隔三年，英國格拉斯哥大學(xué)研究團隊順著利用太陽光的思路，在電子皮膚續(xù)航問題上實現(xiàn)了突破。

時隔三年，電子皮膚再獲突破

前不久，英國格拉斯哥大學(xué)研究團隊題為 Energy Generating Electronic Skin WithIntrinsic Tactile Sensing Without Touch Sensors（無需觸摸傳感器、具有內(nèi)在觸覺傳感的自供能電子皮膚）的論文發(fā)表于《IEEE 機器人學(xué)匯刊》。

僅根據(jù)論文標題便得知，該團隊設(shè)計的電子皮膚未配備觸摸傳感器，可謂是完全達到了「自供能」的程度。

而在三年前，該團隊提升電子皮膚續(xù)航的做法是添加了由石墨烯制成的感光發(fā)電傳感器，論文也顯示，讓光伏模塊獲得足夠太陽光的一個關(guān)鍵因素便是應(yīng)用了透明的觸摸感應(yīng)層。

基于這種方法，電子皮膚變得低能耗化，每平方厘米所需能量為 20 毫微瓦，相當于當年最低等級的光伏電池。

當時，作文合著者之一、來自格拉斯哥大學(xué)詹姆斯 · 瓦特工程學(xué)院可彎曲電子與傳感技術(shù)團隊的 Ravinder Dahiya 表示：我們下一步計劃是深度研究發(fā)電技術(shù)，從而支撐整個研究和假肢的自主驅(qū)動，可能會打造一個完全自供能的義肢。

不難發(fā)現(xiàn)，過去三年，研究團隊先做「加法」、后做「減法」，最終實現(xiàn)了電子皮膚自供能。

當電子皮膚遇到太陽能電池

那么，其自供能原理是什么？

根據(jù)論文，大量的傳感器和讀出電子器件連續(xù)運行，要想滿足電子皮膚的能耗要求，是具有挑戰(zhàn)性的。因此，研究團隊首次提出了無需任何觸摸傳感器，具有內(nèi)在觸覺傳感的自供能電子皮膚（下文將其簡稱為 eSkin）。

eSkin 包括一個微型太陽能電池的分布式陣列和軟彈性襯底上的紅外發(fā)光二極管（IRLEDs）。據(jù)了解，這些太陽能電池不僅能自己發(fā)電，還能產(chǎn)生一些額外能量，并能提供觸摸和近距離感應(yīng)的觸覺功能。通過讀取太陽能電池和發(fā)光二極管的能量輸出變化，eSkin 可感知距離、物體位置等多項參數(shù)。

其具體原理是：當暴露在光源下，太陽能電池將產(chǎn)生能量；如果電池（或者說 eSkin）被在其附近的物體擋住光線，那么當電池與物體接觸時，光的強度（即產(chǎn)生的能量）就會下降至零，eSkin 由此確認觸碰。這種情況下，eSkin 受到的光線強度和 eSkin 與物體的距離強相關(guān)。

正如 Ravinder Dahiya 所說：通過實時比較光線強度，再進行校準，就可以確定 eSkin 和物體之間的距離。

為驗證這一思路是否可行，研究團隊將 eSkin 附著在一個 3D 打印的機器手上，記錄它與環(huán)境的互動。下圖最下方部分展示了覆有 eSkin 的機器手的 3 個子系統(tǒng)，從下至上依次是能量管理、傳感、驅(qū)動。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，僅手掌區(qū)域就能產(chǎn)生 383.6 mW 能量。他們設(shè)想，如果將 eSkin 覆蓋整個身體（約占 1.5 平方米的區(qū)域），eSkin 就能產(chǎn)生超過 100 W 的能量。如下圖所示，eSkin 能夠?qū)咏牟煌矬w進行定位、邊緣檢測和三維形狀評估。

不僅如此，他們還將 eSkin 應(yīng)用于工業(yè)機器臂，發(fā)現(xiàn)可以安全地實現(xiàn)人機交互。

對于這項突破，Ravinder Dahiya 表示，本質(zhì)上，他們把如何給大面積電子皮膚供電的難題變成了一個機會——將電子皮膚轉(zhuǎn)化成一種能產(chǎn)生能量的資源。

鑒于 eSkin 的材料集成傳感能力，除了在機器人領(lǐng)域，研究團隊還暢想了 eSkin 未來的大量潛在應(yīng)用：

· 在假肢方面，eSkin 比其他電子皮膚更輕便，這將有助于制造重量、尺寸最佳的義肢，方便義肢使用者。

· 在腦機接口方面，eSkin 可以有效地減少腦機接口中常見的時間延遲問題。

· 在自動化方面，特別是電動和交互式汽車領(lǐng)域，一輛覆蓋著 eSkin 的汽車有著良好的近距離感應(yīng)能力，因此也能輕易地“看到”正在靠近的障礙物或行人。

· 在游戲方面，eSkin 還可用于手勢識別控制。

電子皮膚的未來：大規(guī)模制造，廣泛應(yīng)用

在鮑哲南獲得2017［世界杰出女科學(xué)家］的獎項時，UNESCO就表示過，這一獎項是為了表彰她在開發(fā)電子皮膚領(lǐng)域做出的貢獻，她領(lǐng)導(dǎo)的團隊開發(fā)出的這種能夠感知壓力并與大腦溝通的電子皮膚，也許有一天會幫助用假肢的人獲得真實的觸感。

鮑哲南接受媒體訪問時表示，“一直希望科學(xué)研究成果能夠運用到生活中，幫助人類”、“可穿戴的科技必須要著重于提升功能，如果沒有增加新功能，就沒有人會去需要它“，鮑哲南和她的團隊希望二十多年后，我們的世界是這樣的：

聾啞的殘障人士們剛剛在喉嚨上裝上了電子皮膚，電子皮膚通過感受咽喉部分肌肉運動產(chǎn)生的壓力變化，因為耳聾而多年學(xué)不會說話的聾啞患者終于可以開口說出自己的聲音;

年邁父母手腕裝上電子皮膚，隨時監(jiān)測父母的心率、血糖，時時刻刻“智能把脈”，一旦數(shù)據(jù)超標就會發(fā)送警告到你和父母的手機終端上;

或者我們手指上已經(jīng)使用了電子皮膚，它可以感知化學(xué)分子或者生物分子，我們就可以自己給自己檢查身體。看到皮膚上有一個小塊，大小或顏色不太正常，我們只要摸一下就可以知道它是不是癌癥病變了……

在未來，人的體內(nèi)可能有一些傳感器，即人工皮膚的電子器件，人體就相當于一個網(wǎng)絡(luò)中心，與周圍朋友、環(huán)境所聯(lián)系?，F(xiàn)在鮑哲南和她的團隊已經(jīng)做出電子皮膚，這樣的未來也不再只在想象當中。

鮑哲南說她接下來將利用有靈敏傳感性能的電子皮膚開發(fā)血壓測量儀器，中期開發(fā)計劃是應(yīng)用于讓機器人更加靈敏，長期目標則是開發(fā)可穿戴的電子器件，并且推向市場，廣泛幫助人們的日常生活。

對于中國的創(chuàng)業(yè)者和投資者來說，這不失為一個可以進入創(chuàng)新科技領(lǐng)域的機會。

責任編輯：PSY