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電子皮膚,一種可以讓機器人產生觸覺的系統,其結構簡單,可被加工成各種形狀,能像衣服一樣附著在設備表面,能夠讓機器人感知到物體的地點和方位以及硬度等信息。該項技術關鍵點在於一種名為QCT的複合材料,由美國麻省理工學院的技術人員研發而成。其他類似發明還有日本和飛利浦公司研製的電子皮膚。

1 電子皮膚 -問世

 一種可以像人類皮膚一樣感知外部壓力和傳導觸覺信號的電子皮膚在美國問世。美國研究者12日說,這種電子皮膚的出現是機器人科學的一大邁進,還可臨床運用於人類皮膚移植術。

經實驗室測試,這種電子皮膚幾乎可以和人體皮膚一樣感知不同的外部壓力,以相同速度傳導觸覺信號。儘管電子皮膚仍存在一些設計障礙尚未突破,但已可以運用到機器人製造等領域。

「托住一個裂開的雞蛋而不捏碎它,幾乎人人都能做,」美國加利福尼亞大學計算機科學助理教授阿里·賈韋說,「同理,當用機器人來裝卸貨物時,我們希望它們既不讓酒瓶從手中滑落,也不過分用力把陶罐捏碎」。

電子皮膚由賈韋領導的科學團隊製作。依照法新社描述,電子皮膚的基礎體是一種聚合樹脂製成的膠片,膠片表面有黏性,覆蓋有發揮信號感知和傳導作用的一種鍺硅混合納米線,而後在納米線上安裝納米級感測器,再覆蓋以一種對壓力敏感的橡膠。

先期製作並投入測試的電子皮膚面積只有49平方厘米,但它可以感知從0帕到15千帕的壓強。諸如人類敲打鍵盤、托物體時皮膚感知的壓強均在這一範圍內。

由美國斯坦福大學華裔科學家鮑哲南領導的研究團隊用另一種不同工藝也製造出一種人造皮膚,這種人造皮膚由覆蓋感測器的一種特殊橡膠製成,這種橡膠在獲得外部壓力時可改變內部密度,從而傳導不同的觸覺信號。

愛爾蘭都柏林三一學院納米學科學家高度評價這兩種電子皮膚,稱它們是人造科學中的「重要里程碑」,解決了機器人觸覺難關。

現階段,機器人已經能夠感知視覺和聽覺,加上已經初步成型的觸覺,機器人距離真正的人類感知力只剩下味覺和嗅覺兩大障礙。

電子皮膚的問世還是臨床醫學的福音。一些移植學人士看好這項技術,認為它今後可以運用於皮膚移植,或用於改進沒有感知力的假肢。



2 電子皮膚 -技術要點

美國

該系統結構簡單,可被加工成各種形狀,能像衣服一樣附著在設備表面。其技術關鍵點在於一種被稱為QCT的量子隧道複合材料。

與以往類似的材料相比,QCT材料不但能感知物體的硬度還能監測到物體的硬度等級。此外,藉助XY掃描技術,使用QCT技術的機器人還能獲得不同區域(如前臂、肩部和軀幹)的綜合知覺信息。

QCT是一種金屬活性聚合材料,由金屬或非金屬碎料壓制而成,這種材料能對微小的壓力和觸感進行測量並通過電阻值的變化反饋給電路,這就如同通過調光開關控制燈泡的亮度一樣。由於QCT自身所具備的這種獨特性能,它可被製作成各種形狀和大小的壓敏開關。通過絲網印刷后的QCT材料的厚度可薄至75微米。

QCT材料不但能感知物體的硬度還能監測到物體的硬度等級。此外,藉助XY掃描技術,使用QCT技術的機器人還能獲得不同區域(如前臂、肩部和軀幹)的綜合知覺信息。

QCT的運行功耗極低,整個系統無移動部件,可直接與物體接觸而無需任何空氣層。這使得其十分可靠,可被一體化集成到超薄電子設備中,同時還具備極長的運行壽命。

QCT技術已先期在美國宇航局的Robonaut機器人項目上獲得了應用,其先進的感測技術和機械臂在世界均屬領先。研究人員下一步的目標是讓機器人具有與人類更為接近的觸覺並增強其與人類的互動能力。

日本

日本科學家發明的電子皮膚由橡膠、導電石墨和新型晶體管組成。

電子皮膚在橡膠聚合體裡面加入電感測石墨薄片。當受到觸碰的時候,它的電阻會發生變化,這些變化立即被藏在皮膚表層下面的一系列晶體管察覺到。

主要的困難在於讓這個裝置的反應變得像真人皮膚一樣靈活,最終能夠穿在機器人的手臂上。傳統微型晶元的晶體管是由硅材料製成的,堅硬易碎。但是日本科學家使用一種叫做並五苯的柔軟的有機材料代替製造晶體管。電子皮膚的感測器系統由32*32的軟材料晶體管方陣組成,每個2.5平方毫米。科學家希望能夠造出比這還小100倍的晶體管出來。這種電子皮膚能夠被大幅度彎折而不會破壞晶體管,甚至把它包在2毫米直徑的棒上仍能繼續工作。

日本科學家希望為他們的人造皮膚加上更多的功能,他們還想讓它變得更有彈性,現在它們更像一張紙,能夠彎折但沒有彈性。

哈佛大學專門研究機器人觸覺的羅伯特-豪認為這非常困難,他還對電子皮膚的影響持保留意見,認為大多數類似的設計都沒有走出實驗室。

飛利浦公司

飛利浦研究實驗室2009年底宣布他們已經完成一項新的技術E-skin(電子皮膚),主要用於產品的外觀裝飾。電子皮膚是飛利浦正在進行的電子紙研究的一部分,使用這項技術可以對各種產品覆蓋一層「變色皮膚」。

電子皮膚可以覆蓋在各種設備上,不需要使用背光光源,它可以接受周圍環境的光線來實現顏色適配和節能,在戶外也能像油漆一樣保持色彩明亮生動。這項新技術初期將用於手機、MP3等小型設備的外觀增強,未來有可能進行大面積使用,例如給整個房間安裝電子壁紙。 

3 電子皮膚 -電子皮膚研究新進展

美國斯坦福大學女科學家鮑哲南對人造電子皮膚的研究再上一層樓,繼高靈敏度和自我發電兩大創新之後,她的研究團隊又為這種超級皮膚增加了透明和可拉伸功能,為人造電子皮膚更接近人類皮膚賦予重要意義。

斯坦福大學化學工程系副教授鮑哲南去年9月 和她的博士生、研究生團隊發明了一種可模擬人類皮膚的高靈敏度柔性塑料薄膜材料。這種材料由高靈敏的電子感應器組成,當無數的感應器連成一片時,就形成與 人類皮膚相似的薄膜。這種電子皮膚可以感知一隻蝴蝶停在上面的壓力,可以被廣泛用於假肢、機器人、手機和電腦的觸摸式顯示屏、汽車方向盤和醫學等。今年2月,鮑哲南團隊再接再厲,創造性研製出世界最新的可拉伸太陽能電池,使電子皮膚可以實現自我發電。如今,鮑哲南團隊又利用納米材料為這種皮膚增加了透明和可拉伸功能,距離人類皮膚的功能越來越近。

鮑哲南表示,去年發明的電子皮膚雖然可以很靈敏檢測到觸覺,也可以彎曲,卻沒有拉伸的功能,彎曲多了還會裂開,原因就在於電極的拉伸性不理想。「我們將這種 無機材料製成的電極更換為帶有導電功能的碳納米管,放在透明的襯底上。由於碳納米管具有非常好的柔軟性,可以拉伸兩倍以上,回復原位形成小彈簧形狀,還能 保持非常高的導電率,同時具有透明度」。這種透明功能使得電子皮膚可以模仿人類不同膚色的皮膚。

也有科學家同時在研究人造電子皮膚的可拉伸性,但存在這樣那樣的問題。鮑哲南說,「有的導電率高卻因需加很多碳納米管造成不透明,有的雖可以拉伸卻降低很多 導電率。我們克服了這些問題,把碳納米管變成小彈簧,既簡單又可以得到非常好的性能,拉伸幅度最大,導電率最高,比較實用,可以做大面積的,也容易做。」
將人造電子皮膚最終賦予與人類皮膚同等功能是鮑哲南的長期研究目標,她表示,要達到這個目標還需要增加溫度、濕度等感測器,並能與神經細胞交流。「現在的感測器還不能與神經細胞交流,還需要用電線與細胞連接起來。這些都是我們需要研究的。」

應用

 
當水壺裝冷水的時候,外觀顯示藍色,當水燒開時就會變成紅色當水壺裝冷水的時候,外觀顯示藍色,當水燒開時就會變成紅色
 
用戶可以下載與遊戲配套的皮膚,用戶在玩某個遊戲時遊戲機可以改變其外觀圖案用戶可以下載與遊戲配套的皮膚,用戶在玩某個遊戲時遊戲機可以改變其外觀圖案
 
電子皮膚能讓手機變幻各種顏色,與用戶的衣服以及心情進行搭配,這樣買手機時就不用考慮外觀顏色了電子皮膚能讓手機變幻各種顏色,與用戶的衣服以及心情進行搭配,這樣買手機時就不用考慮外觀顏色了
 
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