书城童书青少年科普故事大本营第三季-电子故事总动员
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第61章 电子皮肤系统

电子皮肤,是一种像人类皮肤一样感知外部压力和传导触觉信号的系统。由美国麻省理工学院的技术人员研发而成的一种电子皮肤,其结构简单,但技术关键点在于一种名为QCT的复合材料。其他类似的发明还有飞利浦公司研制的电子皮肤。

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,所以在工作时经常出错,把货物弄坏。“托住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。”

这种电子皮肤由贾韦领导的科学团队制作。依照法新社的描述,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,其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,它的电阻会发生变化,这些变化立即被藏在皮肤表层下面的一系列晶体管察觉到。

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做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,他们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,它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。这项新技术初期将用于手机、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。

也有科学家同时在研究人造电子皮肤的可拉伸性,但存在这样那样的问题。因为有的导电率高却因需加很多碳纳米管造成不透明,有的虽可以拉伸却降低很多导电率。克服了这些问题,把碳纳米管变成小弹簧,既简单又可以得到非常好的性能,拉伸幅度最大,导电率最高,比较实用,可以做大面积的,也容易做。

目前发明的电子皮肤虽然有灵敏的触觉,可以适当弯曲,但弯曲次数多了则会裂开,而且不能任意拉伸,原因在于电极的拉伸性不理想。另外,在临床的假肢移植过程中,电子皮肤对神经感应的灵敏度差,起不到实用的效果。所以说,电子皮肤要想尽早地运用到医学中,仍需一段时间。