電子皮膚再突破：借助太陽能電池，可用于腦機接口、電動汽車

Make human more human.（讓人類更加人性化。）人造皮膚領(lǐng)域“材料大師”、化學家、斯坦福大學化學工程系系主任鮑哲南曾這樣描述她在電子人造皮膚領(lǐng)域的研究初衷。在鮑哲南等科學家的設想中，這種黑科技能夠協(xié)助假肢理解觸摸、彎曲或按壓等動作，因此配有假肢的群體得以恢復對外界的真實感知。

其實，除了人工義肢、醫(yī)療檢測和診斷等方面的應用前景，電子皮膚還能應用于機器人——提升機器人的柔韌性和延展性，甚至讓機器人像人類一樣在面對疼痛時做出反應。

電子皮膚發(fā)展至今，其厚度、響應速度等性能不斷提升，但作為移動電子設備，電子皮膚的續(xù)航問題也是一大關(guān)鍵。

為此，英國格拉斯哥大學研究團隊提出了一項方案：利用太陽光，向電子皮膚供能。

2017 年 3 月 22 日，該團隊題為 Energy‐Autonomous， Flexible， and Transparent Tactile Skin（自供能、靈活、透明的觸覺皮膚）的論文發(fā)表于學術(shù)期刊《先進功能材料》。

當時，研究團隊稱：

相比其他只受電池驅(qū)動的材料，這類電子皮膚工作的時間將更長，同時又不會像有線電子產(chǎn)品那樣移動受限。

時隔三年，英國格拉斯哥大學研究團隊順著利用太陽光的思路，在電子皮膚續(xù)航問題上實現(xiàn)了突破。

時隔三年，電子皮膚再獲突破

前不久，英國格拉斯哥大學研究團隊題為 Energy Generating Electronic Skin With Intrinsic Tactile Sensing Without Touch Sensors（無需觸摸傳感器、具有內(nèi)在觸覺傳感的自供能電子皮膚）的論文發(fā)表于《IEEE 機器人學匯刊》。

僅根據(jù)論文標題便得知，該團隊設計的電子皮膚未配備觸摸傳感器，可謂是完全達到了“自供能”的程度。

而在三年前，該團隊提升電子皮膚續(xù)航的做法是添加了由石墨烯制成的感光發(fā)電傳感器，論文也顯示，讓光伏模塊獲得足夠太陽光的一個關(guān)鍵因素便是應用了透明的觸摸感應層。

基于這種方法，電子皮膚變得低能耗化，每平方厘米所需能量為 20 毫微瓦，相當于當年最低等級的光伏電池。

當時，作文合著者之一、來自格拉斯哥大學詹姆斯 · 瓦特工程學院可彎曲電子與傳感技術(shù)團隊的 Ravinder Dahiya 表示：

我們下一步計劃是深度研究發(fā)電技術(shù)，從而支撐整個研究和假肢的自主驅(qū)動，可能會打造一個完全自供能的義肢。

不難發(fā)現(xiàn)，過去三年，研究團隊先做“加法”、后做“減法”，最終實現(xiàn)了電子皮膚自供能。

當電子皮膚遇到太陽能電池

那么，其自供能原理是什么？

根據(jù)論文，大量的傳感器和讀出電子器件連續(xù)運行，要想滿足電子皮膚的能耗要求，是具有挑戰(zhàn)性的。因此，研究團隊首次提出了無需任何觸摸傳感器，具有內(nèi)在觸覺傳感的自供能電子皮膚（下文將其簡稱為 eSkin）。

eSkin 包括一個微型太陽能電池的分布式陣列和軟彈性襯底上的紅外發(fā)光二極管（IRLEDs）。據(jù)了解，這些太陽能電池不僅能自己發(fā)電，還能產(chǎn)生一些額外能量，并能提供觸摸和近距離感應的觸覺功能。通過讀取太陽能電池和發(fā)光二極管的能量輸出變化，eSkin 可感知距離、物體位置等多項參數(shù)。

其具體原理是：當暴露在光源下，太陽能電池將產(chǎn)生能量；如果電池（或者說 eSkin）被在其附近的物體擋住光線，那么當電池與物體接觸時，光的強度（即產(chǎn)生的能量）就會下降至零，eSkin 由此確認觸碰。

這種情況下，eSkin 受到的光線強度和 eSkin 與物體的距離強相關(guān)。正如 Ravinder Dahiya 所說：

通過實時比較光線強度，再進行校準，就可以確定 eSkin 和物體之間的距離。

為驗證這一思路是否可行，研究團隊將 eSkin 附著在一個 3D 打印的機器手上，記錄它與環(huán)境的互動。下圖最下方部分展示了覆有 eSkin 的機器手的 3 個子系統(tǒng)，從下至上依次是能量管理、傳感、驅(qū)動。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，僅手掌區(qū)域就能產(chǎn)生 383.6 mW 能量。他們設想，如果將 eSkin 覆蓋整個身體（約占 1.5 平方米的區(qū)域），eSkin 就能產(chǎn)生超過 100 W 的能量。

如下圖所示，eSkin 能夠?qū)咏牟煌矬w進行定位、邊緣檢測和三維形狀評估。

不僅如此，他們還將 eSkin 應用于工業(yè)機器臂，發(fā)現(xiàn)可以安全地實現(xiàn)人機交互。

對于這項突破，Ravinder Dahiya 表示，本質(zhì)上，他們把如何給大面積電子皮膚供電的難題變成了一個機會——將電子皮膚轉(zhuǎn)化成一種能產(chǎn)生能量的資源。

鑒于 eSkin 的材料集成傳感能力，除了在機器人領(lǐng)域，研究團隊還暢想了 eSkin 未來的大量潛在應用：

在假肢方面，eSkin 比其他電子皮膚更輕便，這將有助于制造重量、尺寸最佳的義肢，方便義肢使用者。

在腦機接口方面，eSkin 可以有效地減少腦機接口中常見的時間延遲問題。

在自動化方面，特別是電動和交互式汽車領(lǐng)域，一輛覆蓋著 eSkin 的汽車有著良好的近距離感應能力，因此也能輕易地“看到”正在靠近的障礙物或行人。

在游戲方面，eSkin 還可用于手勢識別控制。

責任編輯：PSY