電子皮膚研發(fā)歷史與電子皮膚的作用

電子皮膚又稱新型可穿戴柔性仿生觸覺(jué)傳感器，是一種可以讓機(jī)器人產(chǎn)生觸覺(jué)的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可被加工成各種形狀，能像衣服一樣附著在設(shè)備表面，能夠讓機(jī)器人感知到物體的地點(diǎn)和方位以及硬度等信息。

生物皮膚：感受不同類型的壓力(硬度);感受溫度與熱量;感受空氣及水流;感受痛覺(jué)等(保護(hù)作用)。

電子皮膚：首先具備生物皮膚現(xiàn)有的功能;甚至具有生物皮膚不具備的功能：如感受聲波，超聲波，測(cè)量血壓，心跳等更加先進(jìn)的功能。

電子皮膚研發(fā)歷史

早在2003年，日本東京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用低分子有機(jī)物——并五苯分子制成薄膜，通過(guò)其表面密布的壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了電子皮膚感知壓力。

時(shí)隔兩年，該研究團(tuán)隊(duì)又在特殊塑料薄膜中重疊嵌入分別感知壓力和溫度的兩組晶體管，在晶體管電線交叉的位置使用微傳感器記錄電流起伏，可判斷出日常溫度和每平方厘米300克以上的壓力。

2009年底，飛利浦研究實(shí)驗(yàn)室宣布他們已經(jīng)完成一項(xiàng)新的技術(shù)E-skin(電子皮膚)，主要用于產(chǎn)品的外觀裝飾。電子皮膚是飛利浦正在進(jìn)行的電子紙研究的一部分，利用這項(xiàng)技術(shù)可以對(duì)各種產(chǎn)品覆蓋一層“變色皮膚”。

電子皮膚可以覆蓋在各種設(shè)備上，不需要使用背光光源，它可以接受周圍環(huán)境的光線來(lái)實(shí)現(xiàn)顏色適配和節(jié)能，在戶外也能像油漆一樣保持色彩明亮生動(dòng)。這項(xiàng)新技術(shù)初期將用于手機(jī)、MP3等小型設(shè)備的外觀增強(qiáng)。

而美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出的電子皮膚，可辨別更細(xì)微的壓強(qiáng)，這種由聚合樹脂和敏感橡膠覆蓋鍺硅混合納米線制成的皮膚，可感知50克以下的細(xì)微壓力。

隨著尖端材料科學(xué)研究的深入，石墨烯、碳納米等特殊材料因超輕薄、韌性強(qiáng)、電阻率小等優(yōu)良特性，被科學(xué)家認(rèn)為是電子皮膚的優(yōu)良“基底”。例如，由我國(guó)研究人員使用碳納米管傳感器制成的高靈敏度皮膚，甚至可感知到20毫克螞蟻的重量。

電子皮膚的作用

1、讓燒傷病人不用忍受切膚之痛

皮膚作為人體最大的器官，其重要性不言而喻。對(duì)燒傷病人和肢體殘疾人士來(lái)說(shuō)，皮膚的不可修復(fù)性損壞給他們帶來(lái)了身心傷害。而電子皮膚，能夠幫助他們重獲皮膚功能。

2、讓機(jī)器人更智能

現(xiàn)有電子皮膚技術(shù)使機(jī)器人和機(jī)械假肢能夠抓住和操作物體，識(shí)別表面紋理和硬度，感受物體的溫度狀況。然而在此之前電子皮膚可以同時(shí)非常靈敏地探測(cè)熱量和不同類型的壓力是很難實(shí)現(xiàn)的。

3、未來(lái)的可穿戴設(shè)備

電子皮膚，因?yàn)樗つw一樣又軟又薄，可以輕易的把它貼在身體上，能夠測(cè)量出人體的含氧量，用于其他生理體征的監(jiān)測(cè)，讓智能手環(huán)成為過(guò)去。

電子皮膚的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

電子皮膚由三維界面應(yīng)力檢測(cè)單元、局部點(diǎn)微應(yīng)力檢測(cè)單元和外圍電路組成。三維界面應(yīng)力檢測(cè)單元由新型平板電容壓力傳感器組成，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)三維界面應(yīng)力的大小，包括與界面垂直的向正應(yīng)力和與界面相切的向剪應(yīng)力和向剪應(yīng)力。微應(yīng)力檢測(cè)單元由新型聲表面波壓力傳感器組成，用于檢測(cè)局部點(diǎn)的微應(yīng)力大小。

基本原理

新型平板電容傳感器相互連接組成傳感器陣列，將新型聲表面波壓力傳感器嵌入到需要檢測(cè)微壓力的指定點(diǎn)，然后將傳感器陣列與外圍電路相連，組成完整的電子皮膚。電子皮膚能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)各個(gè)傳感器單元處的三維界面應(yīng)力大小和指定點(diǎn)的微應(yīng)力大小，將各個(gè)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)輸出到外圍電路，以達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)作用于電子皮膚的界面應(yīng)力分布的目的。

電子皮膚應(yīng)用原理：

電子皮膚傳感器種類

1、新型平板電容壓力傳感器

電子皮膚新型平板電容壓力傳感器采用傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：表層，中間層和底層，如左圖所示。在表層耦合驅(qū)動(dòng)電極，底層耦合感應(yīng)電極，中間層采用超彈塑性材料。當(dāng)傳感器表層加載力時(shí)，中間層的彈塑性材料發(fā)生應(yīng)變，從而引起驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極之間的距離和面積發(fā)生變化，根據(jù)輸出電容的變化，達(dá)到檢測(cè)加載的壓力大小的目的。

平板電容的電容大小與電極的面積成正比，與電極間的距離成反比。當(dāng)改變電極之間的面積或者距離時(shí)，會(huì)引起輸出電容發(fā)生改變?；谄桨咫娙莸膫鞲衅髡抢酶淖兤桨咫姌O間的面積或距離，引起輸出電容的改變來(lái)測(cè)定被測(cè)對(duì)象發(fā)生的變化的。

2、新型聲表面波壓力傳感器

新型聲表面波壓力傳感器采用延遲線結(jié)構(gòu)，由壓電襯底、輸入叉指換能器、輸出叉指換能器和外圍電路構(gòu)成。壓電襯底釆用懸臂梁結(jié)構(gòu)，即一端固定，另一端加載微壓力。輸入叉指換能器激勵(lì)出聲表面波，經(jīng)過(guò)壓電襯底傳播到輸出叉指換能器，輸出叉指換能器將接收到的聲表面波還原成電信號(hào)，與放大器相連，輸出頻率信號(hào)。當(dāng)微壓力加載于懸臂梁一端時(shí)，懸臂梁發(fā)生應(yīng)變，使得聲表面波的傳播路徑發(fā)生改變，從而引起輸出頻率發(fā)生變化，利用輸出頻率的變化可以檢測(cè)加載于懸臂梁的微壓力。

電子皮膚的產(chǎn)品應(yīng)用

假肢制造

我國(guó)殘疾人總數(shù)：8千余萬(wàn)，占總?cè)丝诘?.3%，其中肢體殘疾2千多萬(wàn)，占?xì)埣踩吮壤娜伞＝^大多數(shù)截肢者靠假肢活動(dòng)，假肢的質(zhì)量很大程度影響他們的生活質(zhì)量。

電子皮膚的功能不局限于感受壓力，它內(nèi)置了超薄、單晶硅納米帶，上面布有傳感器整列，包括壓力傳感器，溫度傳感器，濕度傳感器，應(yīng)變傳感器，組熱加熱器等其他神經(jīng)刺激傳感器。電子皮膚能夠?qū)ν獠看碳ぷ龀隹焖俜磻?yīng)，更加接近人體真實(shí)皮膚對(duì)外部世界反應(yīng)時(shí)間，從而大大方便殘疾人的生活。

智能穿戴設(shè)備

電子皮膚通過(guò)靜電貼在皮膚上后，能夠通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脈搏、心跳、體溫、肌肉群震動(dòng)等人體健康生理指標(biāo)，對(duì)人體健康數(shù)據(jù)變化及時(shí)做出反饋，實(shí)現(xiàn)疾病的前期預(yù)防和診斷。更令人稱道的是，這款電子皮膚還設(shè)計(jì)了一個(gè)藥物接口，可以根據(jù)人體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和健康狀況，將藥物直接通過(guò)電子皮膚釋放到人體內(nèi)，更快速有效完成治療過(guò)程。

電子皮膚可具有顯示的功能，顯示屏可以粘附到人身上，顯示各種生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，如心率或血氧水平，甚至也可以顯示表情和壓力水平。除了無(wú)需隨身攜帶設(shè)備外，這一技術(shù)還能增強(qiáng)我們與周圍世界交互的方式，或增添一個(gè)全新的溝通渠道。有朝一日，人們將能在衣袖上顯示自己的心情，甚至是狀態(tài)更新。

智能機(jī)器人的研發(fā)

電子皮膚可以使機(jī)器人擁有和人類、動(dòng)物一樣的觸覺(jué)，使其更加人性化，智能化。電子皮膚包含數(shù)百個(gè)獨(dú)立的傳感器，借助傳感器收集的信息，機(jī)器人可以利用所謂的“觸覺(jué)“來(lái)控制走向，識(shí)別周圍的情況，找出最佳的行進(jìn)路線。通過(guò)電子皮膚和數(shù)據(jù)的計(jì)算，機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)對(duì)障礙物進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)其自主靈活的運(yùn)動(dòng)。

電子皮膚覆蓋在機(jī)器人的機(jī)械手臂上，使其十分靈活，還可以控制觸碰物體時(shí)的力度。依靠這種“電子皮膚”，機(jī)器人不僅能感知到物體的地點(diǎn)和方位，還能獲得物體的硬度、強(qiáng)度、溫度、表面紋理等。機(jī)械臂會(huì)通過(guò)觸感決定下一步動(dòng)作和移動(dòng)方向。基于一些巧妙的數(shù)學(xué)運(yùn)算，機(jī)器人完全可以按照指令完成既定的任務(wù)。