電子皮膚再獲突破 可用太陽光向電子皮膚供能

人造皮膚領(lǐng)域 “材料大師”、化學(xué)家、斯坦福大學(xué)化學(xué)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(xué)家的設(shè)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(fù)對外界的真實(shí)感知。

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

電子皮膚發(fā)展至今，其厚度、響應(yīng)速度等性能不斷提升，但作為移動電子設(shè)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(xué)研究團(tuán)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(tuán)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(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》。

當(dāng)時，研究團(tuán)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(xué)研究團(tuán)隊順著利用太陽光的思路，在電子皮膚續(xù)航問題上實(shí)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(xué)研究團(tuán)隊題為 Energy Generating Electronic Skin With Intrinsic Tactile Sensing WithoutTouch 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(jī)器人學(xué)匯刊》。僅根據(jù)論文標(biāo)題便得知，該團(tuán)隊設(shè)計的電子皮膚未配備觸摸傳感器，可謂是完全達(dá)到了「自供能」的程度。

而在三年前，該團(tuán)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(yīng)用了透明的觸摸感應(yīng)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(dāng)于當(dāng)年最低等級的光伏電池。

當(dāng)時，作文合著者之一、來自格拉斯哥大學(xué)詹姆斯 · 瓦特工程學(xué)院可彎曲電子與傳感技術(shù)團(tuán)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(tuán)隊先做「加法」、后做「減法」，最終實(shí)現(xiàn)了電子皮膚自供能。

當(dāng)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(yùn)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(tuán)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(yīng)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(dāng)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(dāng)電池與物體接觸時，光的強(qiáng)度(即產(chǎn)生的能量)就會下降至零，eSkin由此確認(rèn)觸碰。

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

通過實(shí)時比較光線強(qiáng)度，再進(jìn)行校準(zhǔn)，就可以確定 eSkin和物體之間的距離。

為驗(yàn)證這一思路是否可行，研究團(tuán)隊將eSkin 附著在一個 3D 打印的機(jī)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(jī)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(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，僅手掌區(qū)域就能產(chǎn)生 383.6 mW 能量。他們設(shè)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(jìn)行定位、邊緣檢測和三維形狀評估。

不僅如此，他們還將 eSkin 應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器臂，發(fā)現(xiàn)可以安全地實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(jī)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(jī)器人領(lǐng)域，研究團(tuán)隊還暢想了eSkin 未來的大量潛在應(yīng)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(jī)接口方面，eSkin 可以有效地減少腦機(jī)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(yīng)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。

關(guān)鍵詞： 電子皮膚