電子皮膚再獲突破 太陽能供電解決續航問題

“Make human more human.(讓人類更加人性化。)”人造皮膚領域 “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，電子皮膚的續航問題也是一大關鍵。

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)的論文發表于學術期刊《先進功能材料》。

當時，研究團隊稱：

相比其他只受電池驅動的材料，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，在電子皮膚續航問題上實現了突破。

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 WithoutTouch Sensors(無需觸摸傳感器、具有內在觸覺傳感的自供能電子皮膚)的論文發表于《IEEE 機器人學匯刊》。

僅根據論文標題便得知，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航的做法是添加了由石墨烯制成的感光發電傳感器，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團隊的 Ravinder Dahiya 表示：

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

不難發現，過去三年，研究團隊先做「加法」、后做「減法」，最終實現了電子皮膚自供能。

當電子皮膚遇到太陽能電池

那么，其自供能原理是什么?

根據論文，大量的傳感器和讀出電子器件連續運行，要想滿足電子皮膚的能耗要求，是具有挑戰性的。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光二極管(IRLEDs)。據了解，這些太陽能電池不僅能自己發電，還能產生一些額外能量，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。

其具體原理是：當暴露在光源下，太陽能電池將產生能量;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。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，從下至上依次是能量管理、傳感、驅動。

研究團隊發現，僅手掌區域就能產生 383.6 mW 能量。他們設想，如果將eSkin覆蓋整個身體(約占 1.5 平方米的區域)，eSkin 就能產生超過 100 W 的能量。

如下圖所示，eSkin 能夠對接近它的不同物體進行定位、邊緣檢測和三維形狀評估。

不僅如此，他們還將 eSkin 應用于工業機器臂，發現可以安全地實現人機交互。

對于這項突破，Ravinder Dahiya 表示，本質上，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——將電子皮膚轉化成一種能產生能量的資源。

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。