美国麻省理工学院在实验室测试了这种电子皮肤,它几乎可以和人体皮肤一样感知不同的外部压力,以相同速度传导触觉信号。尽管电子皮肤仍存在一些设计障碍,与理想仍有差距,但足以运用到机器人制造等领域。
机器人的制造过程中,电子皮肤起了很大的作用。机器人来装卸货物时,由于它不会精准地感知到外力,所以经常出错,把货物弄坏。“拿起一个裂开的鸡蛋而不捏碎它,几乎人人都能做,”美国加利福尼亚大学计算机科学助理教授阿里·贾韦说,“但机器人肯定会直接弄碎。如果机器人换上了电子皮肤,那么它对外力的感应就会把握得十分准确,在工作中就不会无故弄坏货物。”
由贾韦领导的科学团队制作的电子皮肤的基础体是一种聚合树脂制成的胶片,胶片表面有黏性,覆盖有发挥信号感知和传导作用的一种锗硅混合纳米线,而后在纳米线上安装纳米级传感器,再覆盖一种对压力敏感的橡胶。
先期制作并投入测试的电子皮肤面积只有49平方厘米,但它可以感知从0帕到15千帕的压强。诸如人类敲打键盘、托物体时皮肤感知的压强,均在这一范围内。
贾韦领导的科学团队制作出的这种皮肤系统的关键点,是名为QCT的复合材料。QCT是一种金属活性聚合材料,由金属或非金属碎料压制而成,这种材料能对微小的压力和触感进行测量,并通过电阻值的变化反馈给电路,这就如同通过调光开关控制灯泡的亮度一样。由于QCT自身所具备的这种独特性能,它可被制作成各种形状和大小的压敏开关。通过丝网印刷后的QCT材料的厚度可薄至75微米。
QCT材料不但能感知物体的硬度,还能监测到物体的硬度等级。此外,借助XY扫描技术,使用QCT技术的机器人还能获得不同区域(如前臂、肩部和躯干)的综合知觉信息。
QCT的运行功耗极低,整个系统无移动部件,可直接与物体接触而无需任何空气层。这使得其十分可靠,可被一体化集成到超薄电子设备中,同时还具备极长的运行寿命。
QCT技术已先期在美国宇航局的机器人项目上获得了应用,其先进的传感技术和机械臂在世界均属领先。研究人员下一步的目标,是让机器人具有与人类更为接近的触觉,并增强其与人类的互动能力。
由美国斯坦福大学华裔科学家鲍哲南领导的研究团队,用另一种不同工艺也制造出一种人造皮肤,这种人造皮肤由覆盖传感器的一种特殊橡胶制成,这种橡胶在获得外部压力时可改变内部密度,从而传导不同的触觉信号。
爱尔兰都柏林三一学院纳米学的科学家高度评价这两种电子皮肤,称它们是人造科学中的“重要里程碑”,解决了机器人触觉难关。
现阶段,机器人已经能够感知视觉和听觉,加上已经初步成型的触觉,机器人距离真正的人类感知力只剩下味觉和嗅觉两大障碍。
日本科学家发明的电子皮肤,由橡胶、导电石墨和新型晶体管组成。
电子皮肤在橡胶聚合体里面加入电传感石墨薄片,当受到触碰的时候,电阻会发生变化,这些变化会立即被藏在皮肤表层下面的一系列晶体管察觉到。其中的主要的困难在于让这个装置的反应变得像真人皮肤一样灵活,最终能够穿在机器人的手臂上。传统微型芯片的晶体管是由硅材料制成的,坚硬易碎。但是日本科学家使用一种叫作并五苯的柔软的有机材料代替制造晶体管。电子皮肤的传感器系统由32×32的软材料晶体管方阵组成,每个晶体管有2.5平方毫米。科学家希望能够造出比这还小100倍的晶体管,这种电子皮肤能够被大幅度弯折而不会破坏晶体管,甚至把它包在2毫米直径的棒上仍能继续工作。
日本科学家希望为他们的人造皮肤加上更多的功能,还想让它变得更有弹性。现在它们更像一张纸,能够弯折但没有弹性。
哈佛大学专门研究机器人触觉的罗伯特·豪认为这非常困难,他对电子皮肤的影响持保留意见,认为大多数类似的设计都没有走出实验室。
飞利浦研究实验室2009年底宣布,他们已经完成一项新的电子皮肤技术主要用于产品的外观装饰。电子皮肤是飞利浦正在进行的电子纸研究的一部分,使用这项技术可以对各种产品覆盖一层“变色皮肤”。
电子皮肤可以覆盖在各种设备上,不需要使用背光光源,可以接受周围环境的光线来实现颜色适配和节能,在户外也能像油漆一样保持色彩明亮生动。这项新技术初期用于手机、MP3等小型设备的外观增强,未来有可能进行大面积使用,例如给整个房间安装电子壁纸。
电子皮肤的问世还是临床医学的福音。一些移植学人士看好这项技术,认为它今后可以运用于皮肤移植,或用于改进没有感知力的假肢。
美国斯坦福大学女科学家鲍哲南和她的研究团队又为这种超级皮肤增加了透明和可拉伸功能,为人造电子皮肤更接近人类皮肤赋予重要意义。她于2011年9月和她的博士生、研究生团队发明了一种可模拟人类皮肤的高灵敏度柔性塑料薄膜材料。这种材料由高灵敏的电子感应器组成,当无数的感应器连成一片时,就形成与人类皮肤相似的薄膜。这种电子皮肤可以感知一只蝴蝶停在上面的压力,可以被广泛用于假肢、机器人、手机和电脑的触摸式显示屏、汽车方向盘和医学等。2012年2月,鲍哲南团队再接再厉,创造性研制出世界最新的可拉伸太阳能电池,使电子皮肤可以实现自我发电。如今,鲍哲南团队又利用纳米材料为这种皮肤增加了透明和可拉伸功能,距离人类皮肤的功能越来越近。
鲍哲南表示,2011年发明的电子皮肤虽然可以很灵敏地检测到触觉,也可以弯曲,却没有拉伸的功能,弯曲多了还会裂开,原因就在于电极的拉伸性不理想。她还说:“我们将这种无机材料制成的电极更换为带有导电功能的碳纳米管,放在透明的衬底上。由于碳纳米管具有非常好的柔软性,可以拉伸两倍以上,回复原位形成小弹簧形状,还能保持非常高的导电率,同时具有透明度。”这种透明功能使得电子皮肤可以模仿人类不同肤色的皮肤。
2017年6月,半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室沈国震课题组与解放军总医院教授姜凯展开深度合作,在前期系列研究成果的基础上,在电子皮肤领域又获新进展,开发了一种可直接贴附在人体表面的超薄高像素柔性电子皮肤阵列。此电子皮肤阵列通过引入聚合物中空球纳米结构,传感器对环境压力展现出了超高的灵敏度(31.6 kPa-1)以及低的探测下限(0.6 Pa)。由于所制备的聚合物具有负温阻效应,传感器还对环境温度具有很好的响应。
利用简单的半导体加工及转印工艺,设计者设计了微米级的超薄可拉伸衬底及蛇形电极结构,使得器件不仅弹性好,也不易损坏,可以在不同环境下拉扯揉折之后,仍能感受到外部压力与温度的变化。将这种超薄电子皮肤应用于医学领域,能够实现对人体脉搏、语音、呼吸、体表温度等生理信号的实时快速监测,并对不同物体的压力分布成像。为了避免人体生理信号监测中体表温度变化对器件的影响,科研人员还对传感器进行了温度补偿进而提高器件在实际应用中的检测精度。
其高柔性及弹性也符合模拟人体皮肤的需求,有望作为一种新型的人造电子皮肤服务于未来机器人、义肢使用者和可穿戴设备上,也可以应用于电子消费、军事、医疗健康等领域,应用价值极高。
知识链接
2018年2月,东京大学的研究人员最新开发了一种柔性电子皮肤贴片。这种超薄贴片是由柔韧、透气的材料制成的,可以测量和显示佩戴者的心率数据。通过使用纳米电极和可伸缩布线,该贴片配备了一个微型LED阵列,可以适应皮肤的弧度并显示简单的心电图波形等动态图像。这个想法不仅是为了给穿戴者提供健康信息,还让其他人在紧急情况下了解使用者的状况。此外,传感器可以与智能手机配对,用于存储生物特征数据,甚至将其传输到云端。研究人员认为,该贴片可以成为一种针对老年人或家庭的非侵入性健康监测系统,医护人员也可远程监控穿戴者的状况。这种电子皮肤贴片有望在3年内实现量产。
聚合中文网 阅读好时光 www.juhezwn.com
小提示:漏章、缺章、错字过多试试导航栏右上角的源