軟機(jī)器人的挑戰(zhàn)：大驅(qū)動(dòng)電壓、高功耗

青年學(xué)者賴盈至在過(guò)去 6 年，先后以訪問(wèn)研究生的身份進(jìn)入斯坦福大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院，分別師承了美國(guó)佐治亞理工學(xué)院教授、中國(guó)科學(xué)院外籍院士王中林及斯坦福大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院院長(zhǎng)鮑哲南，在兩位科學(xué)家的指導(dǎo)下跨入柔性電子與摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG，triboelectric nanogenerator）的研究領(lǐng)域。并將兩位材料領(lǐng)域?qū)W者的研究領(lǐng)域進(jìn)行了更深度的融合創(chuàng)新，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出全球第一個(gè)具有自驅(qū)動(dòng)（self powered）、主動(dòng)感知的軟機(jī)器人（soft robot）。

多年來(lái)在人造皮膚領(lǐng)域帶領(lǐng)開(kāi)創(chuàng)性研究的鮑哲南教授在有次采訪中提到，如果以人的皮膚作為一個(gè)啟發(fā)點(diǎn)出發(fā)，或許就能夠開(kāi)創(chuàng)出更高的創(chuàng)造力，而不是局限于現(xiàn)有電子器件的功能去思考，會(huì)從生物模擬的方式思考不同的可能性，進(jìn)而產(chǎn)生一些平常想不到的做法。而賴盈至在接受 DeepTech 采訪時(shí)也特別提到，“兩位老師幫助我打開(kāi)了傳統(tǒng)的思維?！?/p>

基于上述“如果打破傳統(tǒng)的框架，就有很多機(jī)會(huì)冒出來(lái)”的理念，以及在王中林院士的帶領(lǐng)下，賴盈至等人利用摩擦納米發(fā)電機(jī)，開(kāi)發(fā)出全球第一個(gè)自驅(qū)動(dòng)，且可主動(dòng)式感知、響應(yīng)外部刺激和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的軟機(jī)器人皮膚，實(shí)現(xiàn)自發(fā)電，不用電池就可感測(cè)觸摸、壓力、濕度，讓軟機(jī)器人的能力和應(yīng)用范圍，又往前邁了一步。

該研究成果《Actively Perceiving and Responsive Soft Robots Enabled by Self-Powered, Highly Extensible, and Highly Sensitive Triboelectric Proximity- and Pressure-Sensing Skins》先前已經(jīng)發(fā)表在國(guó)際期刊 Advanced Materials 上。

此次，DeepTech 專訪了這位青年科學(xué)家、“***中興大學(xué)”材料科學(xué)與工程學(xué)系助理教授賴盈至，探討自驅(qū)動(dòng)電子皮膚的優(yōu)勢(shì)，以及后續(xù)可持續(xù)改善的方向。

圖｜美國(guó)佐治亞理工學(xué)院教授、中國(guó)科學(xué)院外籍院士王中林在 EmTech 大會(huì)擔(dān)任演講嘉賓（來(lái)源：DeepTech）

圖｜由摩擦皮膚和氣動(dòng)致動(dòng)器（pneumatic actuator）組成的四層結(jié)構(gòu)（來(lái)源：中興大學(xué)）

軟機(jī)器人的挑戰(zhàn)：大驅(qū)動(dòng)電壓、高功耗

人類通過(guò)攝像頭、傳聲器賦予了機(jī)器人視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)，近年隨著機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)算法的躍進(jìn)，這兩大領(lǐng)域已經(jīng)有很大的進(jìn)展及市場(chǎng)應(yīng)用，機(jī)器人“觸覺(jué)”則是許多科學(xué)家也想攻克的領(lǐng)域。在生物體中，皮膚是最大的器官，不僅具表面保護(hù)作用，還有優(yōu)異的機(jī)械屬性，如柔韌性、伸展性和順應(yīng)性，可以主動(dòng)感知環(huán)境信息，包括觸覺(jué)、壓力、濕度等。全球許多研究團(tuán)隊(duì)投入開(kāi)發(fā)類似皮膚的感官設(shè)備—電子皮膚，讓機(jī)器能夠更自然感受人和環(huán)境，并與其互動(dòng)。

提到軟機(jī)器人，大家最耳熟能詳?shù)睦幽^(guò)于迪斯尼動(dòng)畫(huà)里的“大白”，與剛性材料相比，由柔順和可伸展材料制成的軟機(jī)器人可提供更安全的應(yīng)用，同時(shí)可變形的體態(tài)和類似肌肉的動(dòng)作也較能適應(yīng)不可預(yù)測(cè)的環(huán)境，運(yùn)動(dòng)的自由性相對(duì)較大，如果軟機(jī)器人又具有了觸覺(jué)，便進(jìn)一步擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

不過(guò)，要開(kāi)發(fā)能夠在軟機(jī)器人上工作的類皮膚傳感器（skin-like sensor）難度很高，包括材質(zhì)的拉伸性、靈敏度，以及需要大的驅(qū)動(dòng)電壓，一般來(lái)說(shuō)，柔性無(wú)源傳感器，如電阻／電容／光學(xué)類型，需要連續(xù)預(yù)先設(shè)置大型驅(qū)動(dòng)電壓，通常為 1～10 V 或是由光信號(hào)驅(qū)動(dòng)它們運(yùn)行。

此外，傳統(tǒng)傳感器是通過(guò)電力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人的體積通常不小，如果要在機(jī)器人身上大面積覆蓋電子皮膚，每個(gè)傳感器驅(qū)動(dòng)電壓，就會(huì)導(dǎo)致功率耗散高，再加上，現(xiàn)有的電子元件不適用于彎彎曲曲、體態(tài)變動(dòng)的構(gòu)造之上，因此，開(kāi)發(fā)用于軟機(jī)器人的關(guān)鍵感應(yīng)裝置，就必須找到其他技術(shù)來(lái)規(guī)避傳統(tǒng)傳感器的限制，摩擦發(fā)電就成了一帖解藥。

摩擦起電效應(yīng)（triboelectric effect）為一種自然現(xiàn)象，利用材料不同的電負(fù)性，當(dāng)材料在與另一種材料接觸后，變?yōu)閹щ姷模陔娊橘|(zhì)表面上的摩擦電荷，通過(guò)驅(qū)動(dòng)自由電子在外部電路的流動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電勢(shì)（electric potential）。與無(wú)源傳感器相比，摩擦皮膚的驅(qū)動(dòng)能量來(lái)自摩擦起電效應(yīng)，涉及接觸電氣化和靜電感應(yīng)的協(xié)作。

賴盈至表示，摩擦發(fā)電有兩種應(yīng)用方法，一種是發(fā)電源來(lái)自機(jī)械力，象是用手觸摸、用手施加壓力；另一種則是自然源，利用風(fēng)、雨產(chǎn)生能量。

應(yīng)用在電子皮膚上，當(dāng)你觸摸它時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電力信號(hào)，但除了用作發(fā)電之外，他們研究的創(chuàng)新之處，在于將電力信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)信號(hào)源，摩擦納米發(fā)電機(jī)就變成了傳感器，這個(gè)可自供電的摩擦皮膚（tribo-skin）能夠感知外部刺激，象是碰觸和壓力，又具備很好的拉伸性，就算被剪破也能正常運(yùn)作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器皮膚和軟機(jī)器人于一身。

圖｜軟機(jī)器人可以觸診，量測(cè)脈搏，模仿中醫(yī)把脈（來(lái)源：中興大學(xué)）

自供電傳感器三大優(yōu)點(diǎn)

摩擦發(fā)電傳感器跟傳統(tǒng)傳感器有什么不同？賴盈至舉例，智能手機(jī)要有觸控功能，必須先提供觸控面板模組電力，用戶觸摸后，原本的電力信號(hào)就會(huì)改變，系統(tǒng)就會(huì)知道有人觸摸了它，但是使用 TENG 技術(shù)的傳感器不需要事先提供電力，它自已會(huì)產(chǎn)生電力信號(hào)，也就是，一個(gè)可自供電的傳感器。

試想一下，若要賦予機(jī)器人觸覺(jué)，必須在全身或四肢鋪滿傳感器，會(huì)使機(jī)器人更加耗電，因此，摩擦發(fā)電傳感器的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是解決了供電問(wèn)題。

另一個(gè)好處在于材料選擇及形體運(yùn)用靈活，TENG 傳感器可以使用多種材料來(lái)制作，包括橡膠、硅膠、高分子、薄膜等，可以依照材料的特性做出可彎曲、可伸縮的型態(tài)，材料不受限，可應(yīng)用性就寬廣很多。

第三個(gè)優(yōu)勢(shì)在于成本，賴盈至指出，TENG 傳感器不需使用半導(dǎo)體制程如熱蒸鍍金屬，而是采用低溫制程，成本會(huì)比傳統(tǒng)的傳感器便宜許多。

圖｜王中林（右）與賴盈至（左）（來(lái)源：賴盈至提供）

電子皮膚被剪破仍正常運(yùn)作，觸診、摸尿布、爬行機(jī)器人都可行

根據(jù)發(fā)表在 Advanced Materials 上的論文，他們開(kāi)發(fā)的摩擦皮膚將導(dǎo)電基質(zhì)夾在彈性體（elastomers）之間，均勻鋪覆在三角微棱鏡（triangular-microprism）壓感結(jié)構(gòu)上，有很好的拉伸性（100% 拉伸應(yīng)變性能），靈敏度也很高，低壓敏感度為 0.29 kPa-1（9.54 V kPa-1，<5 kPa），并且最高檢測(cè)限可達(dá)至 63 Pa。

具有最高電子親和力的橡膠是很好的摩擦電負(fù)性材料。當(dāng)物體與摩擦皮膚接觸時(shí)，由于電負(fù)性的差異，電子從物體表面移動(dòng)到橡膠表面。當(dāng)物體離開(kāi)時(shí)，兩個(gè)帶相反電荷的表面分離，產(chǎn)生電位差。橡膠表面上的未屏蔽負(fù)電荷驅(qū)動(dòng)自由電子從嵌入的銀片流到地面，并引起電極中正電荷的累積，從而產(chǎn)生電流和電壓輸出。

圖｜僅管電子皮膚被剪破，還是可以正常運(yùn)作（來(lái)源：中興大學(xué)）

摩擦皮膚可以整體集成到軟氣動(dòng)致動(dòng)器（pneumatic actuator）中，使軟機(jī)器人能夠執(zhí)行各種主動(dòng)感知和響應(yīng)任務(wù)，像是機(jī)器抓手，可以感知物體的移動(dòng)，例如距離物體多近，也能夠控制舉起、放下、或是抓取的力道，并意識(shí)到貨物掉落，可以應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人中的監(jiān)視和反饋控制上。

另外，也能應(yīng)用在機(jī)器手指上，感知溫濕度、檢測(cè)到細(xì)微的人類生理信號(hào)，例如他們就設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)器人手指用以檢測(cè)嬰兒褲子的水分?；蚴桥c毛蟲(chóng)類機(jī)器人、蛇型機(jī)器人結(jié)合，將摩擦皮膚嵌入到機(jī)器人的腹部，當(dāng)機(jī)器人在爬行時(shí)，就可感知其肌肉運(yùn)動(dòng)，可以執(zhí)行特殊任務(wù)。

圖：摩擦皮膚可以辨別接觸物體的濕度，他們以觸碰嬰兒尿布作為示范（來(lái)源：中興大學(xué)）

該軟機(jī)器人可直接驅(qū)動(dòng)光電元件，通過(guò)點(diǎn)亮 LED 燈做出反應(yīng)，也可以進(jìn)一步做成用聲音、光線、短語(yǔ)等方式來(lái)應(yīng)答人類，讓人類與機(jī)器人之間的交互更直觀。

圖｜可以驅(qū)動(dòng)光電器件，進(jìn)行人機(jī)交互（來(lái)源：中興大學(xué)）

摩擦納米發(fā)電機(jī)又一新研究：能量收集雨衣

除了上述的軟機(jī)器人研究，不久前國(guó)際期刊 Advanced Science 刊載一篇文章《Waterproof-Fabric-Based Multifunctional Triboelectric Nanogenerator for Universally Harvesting Energy from Raindrops, Wind, and Human Motions and as Self-Powered Sensors》，闡述了磨擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)除了通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)（如身體運(yùn)動(dòng)），也能利用自然源（如雨、風(fēng)）和來(lái)擷取動(dòng)能的織物。

該研究同樣是在王中林院士帶領(lǐng)下，賴盈至等人示范了結(jié)合摩擦納米發(fā)電機(jī)的智能布料，將其做成雨衣、雨傘、旗幟、衣物等，就可以擷取大自然風(fēng)、雨，以及人體運(yùn)動(dòng)的能量。這樣的技術(shù)可應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)，尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，“最好的方式讓設(shè)備可以自給自足，不需替換它的電池”。

圖｜可收集風(fēng)、雨能量的織物（來(lái)源：advancedsciencenews.com）

軟機(jī)器人應(yīng)用潛力看好，但仍有改善之處

賴盈至在 2013～2014 年以訪問(wèn)研究生的身份進(jìn)入斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系，在鮑哲南院士麾下學(xué)習(xí)納米碳管、軟性電子與電子皮膚，博士畢業(yè)之后，他看到王中林院士開(kāi)發(fā)的摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)是人類科技新時(shí)代的能源技術(shù)，心想如果能將兩個(gè)技術(shù)結(jié)合可望克服軟性電子與電子皮膚面臨的挑戰(zhàn)，因此他在博士畢業(yè)進(jìn)入佐治亞理工學(xué)院材料系向王中林院士學(xué)習(xí)。

圖｜斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系院長(zhǎng)鮑哲南（右）與賴盈至（左）（來(lái)源：賴盈至提供）

“兩位老師幫助我打開(kāi)了傳統(tǒng)的思維，”賴盈至說(shuō)，“我們以前不會(huì)想到如果它可以發(fā)電，就可以拿來(lái)當(dāng)傳感器，有了這項(xiàng)技術(shù)，人類的電子與能源技術(shù)向前了一大步。如果你打破傳統(tǒng)的框架，就有很多機(jī)會(huì)冒出來(lái)，這是我從兩位老師身上學(xué)到的。”言談中，賴盈至流露出對(duì)兩位老師指導(dǎo)與帶領(lǐng)的感謝，珍惜與兩位院士的情誼。

在兩位著名學(xué)者的啟蒙下，現(xiàn)在擔(dān)任教職的他也與團(tuán)隊(duì)致力利用新穎材料與新物理機(jī)制，開(kāi)發(fā)納米發(fā)電機(jī)、電子皮膚、軟性電子元件、軟性機(jī)械，賴盈至認(rèn)為，主動(dòng)感知、響應(yīng)的軟機(jī)器人可應(yīng)用性很大，能察覺(jué)東西掉落，也可以控制力道，用以?shī)A取一些容易損傷的東西，象是雞蛋、水果，另外就是與人工智能相關(guān)算法結(jié)合，創(chuàng)造更多的應(yīng)用。

不過(guò)，他也直言，該技術(shù)仍有持續(xù)改善的空間，比如目前他們開(kāi)發(fā)的觸診軟機(jī)器人，可以量人體脈搏、量環(huán)境溫度，例如辨識(shí)冰水或熱水，但用在量人體體溫還不行，因?yàn)槿梭w體溫變化細(xì)微，還無(wú)法辨別很細(xì)微的差異。

另外，還有一個(gè)不足的地方，就是軟機(jī)器人的操作系統(tǒng)是剛性的，“目前傳感器是軟的，機(jī)械本身也是軟的，但是，操作系統(tǒng)依舊是硬的，如電路板、傳輸信號(hào)的電路、處理器等都是硬的”，但要讓這些元件變?nèi)嵝?，挑?zhàn)相當(dāng)大，“這不是兩三年就可以解決的問(wèn)題，是很長(zhǎng)期的目標(biāo)”，不過(guò)賴盈至與團(tuán)隊(duì)已經(jīng)投入研究，“希望有一天軟機(jī)器人全部都是采用柔性的元件，達(dá)到極致。”