电子皮肤让机器人活了？有光就能发电，无需传感器即可判断物体接触

近几年有不少关于电子皮肤的研究突破，它本质上是一种电子检测装置，用于模拟人体皮肤的特性和功能，帮助采集人体的各种生理信号、以及感知不同的环境刺激，实现人工触觉的最基本功能。

除了人工义肢、医疗检测和诊断等方面的应用前景，电子皮肤最直接的应用就是机器人。通过电子皮肤赋予机器人触觉后，机器人能更充分、更精准地获取环境中的压力信号，从而也能实现更多样和有效的行动。例如，传统机器人缺乏对物体精确的力量反馈，对尺寸较小、柔软的物体也很难精确地进行抓握和操纵。

而电子皮肤则可提供精细的力学反馈，帮助机器人完成准确的抓握和操纵任务。

人类皮肤的触觉是难以模拟的，电子皮肤还需要具有弹性、延展性、温度感知、压力感知等特性。此外还得能读取数据。如何提高电子皮肤的续航，也一直是业界的一大挑战。

英国格拉斯哥大学研究团队提出的解决方案是：利用太阳能。早在 2017 年，格拉斯哥大学的团队研发出了一款灵活的“电子皮肤”系统，通过添加了由石墨烯制成的感光发电传感器，该电子皮肤可感受压力、并且反应很快。通过利用石墨烯，他们还降低了这种电子皮肤的能源消耗，1 平方厘米的面积需要的能源仅 20mW，相当于很小的光伏电池。

格拉斯哥大学的研究者还利用假肢，对电子皮肤进行了测试。结果显示：当电子皮肤上的贴片启用后，假肢能够像正常手一样感觉并握住软物体;但是当不再使用皮肤贴片时，假肢将会把物体捏碎。

当时该研究团队考虑的不仅是电子皮肤的灵活性、或者分布式传感器的性能，其也在考虑如何使电子皮肤能够自己供能。也就是说，在赋予了电子皮肤触觉之后以及降低能耗之后，研究人员还希望它能够“自给自足 ”。

3年之后，这个问题也解决了。格拉斯哥大学的研究者近期在发表在 IEEE Transactions on Robotics 上的论文，描述了包裹在其柔性太阳能皮肤中的机器人手，是如何在不使用专用和昂贵的触摸传感器的情况下与物体进行互动的。这种新型能发电的合成皮肤，可创造出价格更低的假肢和能够感知的机器人。

这是格拉斯哥大学可弯曲电子和传感技术 （ BEST ） 小组由 Ravinder Dahiya 教授领导下在电子皮肤方面的最新发展。

研究中，他们展示了一种创新的电子皮肤，嵌入了太阳能电池和微小 LED 的合成聚合物，具有触摸和近距离感应功能，无需使用专用的触摸传感器。

为了解决续航问题，研究人员开发出一种由微型太阳能电池制成的电子皮肤，而且没有专门的触摸传感器。近年来，触摸敏感的电子皮肤在假肢和机器人中有许多实验性应用，但该项目是第一个能够在不使用专用触摸传感器的情况下提供触摸反馈的自发电电子皮肤。

不像其他同等设备需要额外的触摸传感器，这种没有传感器的电子皮肤不需要传统的电源支持，事实上，电子皮肤本身就是能量的来源，能够为手部和相连的设备供电。所产生的电力还可以储存在该团队开发的柔性超级电容器等设备中，所以这种电子皮肤不需要经常暴露在阳光下也能工作。

太阳能电池不仅能自己发电，电池产生的能量也足以为控制手部运动的微型执行器供电，而且还有一些额外的功能，通过測量太阳能电池输出的变化，可以为触摸和近距离感应提供触觉功能。

只要有光，电子皮肤上的太阳能接触到光照，电池就会自行发电。如果电池被接近的物体所遮挡，光的强度就会降低，因此产生的能量也会降低，当电池与物体接触时就会降为零。

该团队使用红外 LED 与太阳能电池进行近距离感应，太阳能电池之间的简单 LED 会将红外光从接近的物体上反射出来以评估距离，并将两种形式的光测量结合在一起，以达到更好的效果。

为验证他们的概念，研究人员将一只通用的 3D 打印机械手包裹在他们的电子皮肤上，然后记录其与环境的互动。测试显示，覆盖电子皮肤的机械手臂产生的能量约为 383.3 兆瓦。他们在论文中报告说：“ 如果在整个身体区域都存在电子皮肤（约占 1.5 平方米的区域），可以产生超过 100 W 的能量 ”。下图最下方部分为覆有电子的机器手的 3 个子系统，从下至上依次是能量管理、传感、驱动。

如图，该电子皮肤能够对接近的各种物体进行定位、边缘检测（Edge detection ） 和立体三维形状评估。

研究人员表示，如果是自主的、电池供电的机器人，加上传统的需要供电的电子皮肤会有很大的问题，因为这样就会导致减少机器人的续航时间。如果采用了格拉斯哥团队研发的这种可以产生能源的电子皮肤，那么就可以大大提升机器人的续航时间，因为你可以在机器人运行期间继续充电。

所以从本质上讲，该团队把如何为大面积的电子皮肤供电的这一大挑战，变成了一个机会，他们把电子皮肤变成了一种能源生成的资源。

在应用方面，在研究人员的设想中，除了在机器人领域之外，这种创新的电子皮肤还具有材料集成的传感能力，因此有许多应用例如假肢。

由于使用了太阳能电池作为触摸传感器，这就比其他电子皮肤更轻盈，这将有助于制造重量和尺寸最佳的假肢，从而让假肢使用者更方便地使用。研究人员表示，真正的行动是在电子皮肤接触物体之后才开始的，而他们的带有太阳能电池的电子皮肤可以领先一步，因为它在物体接近时就识别到了物体，这样就有了更多的时间准备行动，该特性可用于有效减少脑机接口中经常出现的时延问题。

在自动化领域，特别是在电气和交互式车辆方面也可能应用。一辆覆盖着太陽能电子皮肤的汽车，由于其近距离感应能力，将能够“看到”接近的障碍物或人。研究人员表示，这当然不是生物意义上的用眼睛去看，而是从机器的角度出发。此外，手势也可以被识别，并可用于基于手势的控制，还可以应用于游戏中的手势识别控等其他领域。

该团队还试验过将这种电子皮肤加到机械臂的末端，类似于汽车制造厂等地方的机械臂。电子皮肤的传感器能够在感应到意外物体时停止手臂的运动，这有助于防止工业事故的发生。

在实验室中，测试是用 650 勒克斯的单一白光光源进行的，但研究人员认为，如果他们的电子皮肤可以区分的多种光源，就会产生很多有趣的可能性。为此他们正在探索不同的人工智能技术，以创新的方式处理数据以便他们可以识别光源的方向以及物体。

该团队的成就让我们更接近一种灵活、自供电、高性价比的电子皮肤，既能感知触摸，还能 “看”。然而，目前，仍然存在一些挑战，其中之一就是灵活性，在原型中，他们使用了由非晶硅制成的商用太阳能电池，每个电池的体积都是 1 厘米 × 1 厘米。虽然被集成在柔性基板上，这种电子皮肤还不够灵活，研究人员目前正在探索基于纳米线的太阳能电池。另一个不足之处是“集成挑战”，即如何使这种太阳能电子皮肤与不同的材料一起配合。

电影《星球大战》中， 卢克天行者的机械手拥有完整的感觉能力，能够非常灵敏地感觉到外界压力。30 年过去了，我们也看到，电影中的画面越来越成为一种现实，电子皮肤正在成为未来电子工业发展的一个重要方向和趋势。

虽然还有很多科学问题要解决，但电子皮肤未来可期。或许在未来，你不仅可以给你的手机系统、游戏角色换皮肤，还能真正给你自己换上电子皮肤。

（摘自美《深科技》）（编辑/华生）