前沿科技解读丨电子皮肤:用触摸感知改变世界

时间:18-03-09 栏目:科学 作者:admin 评论:0 点击: 314 次

  电子皮肤

  皮肤是我们人类重要的感知器官,通过皮肤,我们能够清晰的感受冬日的寒风、夏日的酷暑、清风的吹拂甚至是偶尔飘落而至的花瓣。人类的皮肤,通过触觉感知外界的环境,而触觉是多种感知的集合,包括接触的位置、接触力的方向和大小、接触物体的温度以及接触物体表面的纹理和硬度等等。皮肤通过感知这些信息并通过神经传至大脑,构成了人类的皮肤感知功能,实现了人们通过皮肤对外界的感知。

  而电子皮肤则具有与人体皮肤相似的功能,利用特殊材料制造的电子皮肤,像人类的皮肤一样柔软,并且能够像人类的皮肤一样感知压力的大小。随着电子皮肤研究的不断深入,电子皮肤的感知精度不断提升,响应时间仅为几毫秒,“一点都不比人类的皮肤差”。电子皮肤能够应用的范围非常广泛,它可以安装在机器人手臂上,使得机器人具备像人类一样的触觉感知能力;可以作为可穿戴设备应用于虚拟现实领域,使人们有逼真的沉浸感;还可以应用于医疗领域,作为烧伤、皮肤病等患者皮肤功能的替代品。本文旨在介绍电子皮肤在世界范围内研究的最新成果,并对电子皮肤的应用前景进行探讨。

  电子皮肤的起源——触觉传感器与MEMS技术

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  ▲图1 韩国制造的电子皮肤

  

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  ▲图2 基于MEMS技术制造的触觉传感器阵列

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  ▲图3 搭载电子皮肤的机器人与人握手

  

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  ▲图4 前臂覆盖电子皮肤的机器人手臂

  电子皮肤在医疗和可穿戴设备的应用

  电子皮肤的发展和应用不仅使得机器人更像人,也使得人们比过去更加接近虚拟世界。随着虚拟现实(VR)技术和可穿戴设备的发展,使得人们可以在虚拟世界中遨游,可以触碰和操作虚拟物体,与虚拟世界的交互再也不是梦想。而电子皮肤的应用,则能够最大限度地还原触觉行为,不仅使得人们能够“真实地触摸”到虚拟物体,甚至能够在虚拟世界中还原微风、水流和雨滴带给人们的感觉,这将大大提升沉浸感和真实感,为今后VR游戏及虚拟装配等产业的提供了良好的发展前景。

  
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  ▲图5 人体上的电子皮肤

  电子皮肤的出现,也为现代医疗对皮肤病、烧伤等需要进行植皮操作的治疗方法带来了福音。普通的植皮手术需要考虑病患的排异反映,因此植皮的主要来源是患者其他部位的皮肤,一方面会给病患带来新的创伤,另一方面导致大面积植皮无法实现。而电子皮肤的出现能够极大地缓解皮肤来源问题,使得医治大面积烧伤和皮肤病成为可能。同时,作为电子设备能够有效地规避生物体的排斥反应,成为未来解决皮肤病患的新途径。

  此外,电子皮肤可以作为一种人体的身体健康监测设备发挥作用。电子皮肤与人体直接接触,能够通过搭载各类传感器直接测量病患的身体数据,例如心跳、体温、血糖、血压、出汗量等的实时情况,监测病患的身体状况,掌控病患治疗流程,甚至可以为病患留下操作界面,让每个人成为自己的健康管理管家。

  
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  ▲图6 可进行操控的电子皮肤(设想图)

  通过电子皮肤监测人体的生理信号已经处于科研成果向产品转化的阶段,摩托罗拉公司申请过一项关于电子皮肤纹身的专利,通过将电子皮肤放置在人体的喉部,将喉咙震动的频率和压力数据进行采集,并通过蓝牙或者NFC的方式发送给手机进行处理并转化为声音控制信号,实现对手机的操控。而东京大学研制的带有一个显示屏的电子皮肤,除了能够对人体的弱电信号进行检测之外,还能够将数据处理之后进行显示,这类电子皮肤很薄且重量轻,具有较好的柔韧性,有望在以后替代传统的可穿戴设备。

  

  ▲图7 日本科学家研制的带有显示屏的电子皮肤

  电子皮肤的研究展望

  电子皮肤的研究,为各行各业带来了新的发展前景,随着电子皮肤的普及,将引发深刻的社会变革。目前大部分的电子皮肤还处在基础研究和样品试制阶段,要达到我们的美好设想尚需时日,有许多的科学问题还等待着科学家们去解决和探索。例如完全的还原人类的触觉感知,现在的电子皮肤大多只能感受垂直于皮肤方向上的压力,而无法完全再现触觉感知功能,不过随着MEMS技术的发展,对温度、接触、摩擦和纹理等的感知技术已逐步实现,具备触觉完全感知功能的电子皮肤并不遥远。

  另外,电子皮肤的柔性问题也是现在的研究热点,电子皮肤由于是由电子器件组成,难免给人以生硬的印象,通过改良衬底材料,可以使得电子皮肤表现出极佳的柔软性和延展性,为大面积覆盖使用奠定基础。斯坦福大学的华裔教授鲍哲南领导的团队发明了一种高灵敏度柔性塑料薄膜材料,能够测量出蝴蝶停在上面的压力,且测量的反应时间极快,不超过几毫秒。正是这些科学家们的研究工作,使得电子皮肤的性能不断提升,离我们的日常生活应用越来越近。

  当然除此之外,电子皮肤的应用也仍存在诸多问题,例如如何将电子皮肤与人类的神经和细胞组织相连,如何将感知的触觉信号转化为人类细胞识别的神经信号,如何解决电子皮肤长期使用时器件的寿命问题等等。但是毫无疑问的是,电子皮肤研究所取得的每一点进展,都是人工智能领域的重要里程碑。在视觉和听觉等感觉已经能够较为完善地再现的今天,触觉的再现一直存在空挡,电子皮肤的发展为触觉感知的再现带来了希望,而且是以最接近人体触觉感知的方式再现,电子皮肤的发展到底将为我们的生活带来如何的变革,就让我们拭目以待。

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