[深潛實驗室]帶你認識給機器人做“電子皮膚”的魔術師

近來，電子皮膚研究很火。機器人、智能設備可以通過附著在表面、薄如蟬翼的電子皮膚，感知外界刺激，并作出精準應對。有了電子皮膚的加持，智能機器人、醫療機器人、智能假肢和可穿戴設備等有望朝著更加智能化、人性化方向加速演進。

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心邰凱平研究員團隊近日研制出一種基于碲納米線熱電-壓電耦合效應的柔性、單通道、應變/應變率-溫度多模態傳感器，為電子皮膚研究的大熱再添了一把柴。就讓我們走進金屬所實驗室，一起了解電子皮膚的奇妙進化。

像人類皮膚一樣靈敏

金屬所薄膜制備實驗室內各種科學儀器錯落有致。副研究員于治一大早就來到這里，開始了一天的忙碌。他指著管式爐、磁控濺射鍍膜機等設備告訴記者，電子皮膚就是通過這些設備制備的。

什么是電子皮膚？“電子皮膚是一種模仿人類皮膚感知功能的柔性傳感器系統，通過集成壓力、溫度、應變等傳感單元，將外界刺激轉化為電信號。電子皮膚可附著于機器人或人體表面實現觸覺反饋與健康監測，廣泛應用于醫療機器人、智能假肢和可穿戴設備等領域。”于治為記者做科普。

電子皮膚必須能同時感知觸覺、動態觸覺和溫覺。觸覺就是感受壓力和形變，如果被捏了一下，會知道被施加了多大的力；動態觸覺就是感受形變的速度，受到外力后能判定是被快速拍打還是緩慢按壓；溫覺就是辨別外界冷、熱不同溫度的能力，電子皮膚憑此可以知道接觸的是冰塊還是溫水。

電子皮膚是具備了這三種能力的柔性傳感器系統，能像人類皮膚一樣靈敏，成為名副其實的“人造皮膚”。

由“神奇毛線”編織

電子皮膚走過了一段怎樣的進化史呢？

像做“三明治”一樣，將能感知壓力的材料、能感知溫度的材料，一層一層地疊在一起制成電子皮膚，是電子皮膚研究的初級階段。

通過這種“笨辦法”做出來的電子皮膚存在結構復雜、信號打架、外接電源、不夠智能等問題，與理想狀態的電子皮膚相去甚遠。附著這樣電子皮膚的機械手，做出抓取雞蛋等精細動作時，動作形態、成功率等都無法令人滿意。

金屬所熱電材料與器件課題組通過研究，找到了一種更聰明的解法，他們摒棄了“三明治”做法，用“一團神奇的毛線”織出了一張超靈敏的電子皮膚，這種“神奇毛線”就是碲納米線。

于治介紹，碲納米線是一種同時具備熱電效應和壓電效應的材料。熱電效應是當材料兩端有溫差時，會產生電壓，用來感知溫度。壓電效應是當材料被擠壓或彎曲時，會產生電壓，用來感知壓力和形變速度。也就是說，碲納米線同時擁有感知溫度、壓力和形變速度的三種本領。

“以往熱電效應和壓電效應產生的信號方向是沖突的，無法同時利用。我們通過巧妙的‘傾斜網狀’結構設計，成功讓這兩種信號在同一個方向上和諧共處。這是我們團隊在業界的首創。”于治說。

可以將由碲納米線制成的柔性單通道多功能熱電傳感器想象成一個只有一個出口且同時流出三股水流的水龍頭，科研人員通過算法，可實時分析水龍頭“出口”的總信號，并瞬間分辨出哪個部分代表壓力，哪個部分代表速度，哪個部分代表溫度，大大簡化了結構和數據處理。同時，這個傳感器通過感知外界刺激（壓力、溫度）時自身產生的微弱電壓作為信號來源，在工作時實現自供能，并不需要外接電池。

廣泛應用于多個領域

金屬所熱電材料與器件課題組科研人員就像技藝精湛的“材料魔術師”，他們從碲納米線功能特性出發，通過巧妙的結構設計，造出了一種簡單、柔軟、多功能還不用充電的超級傳感器。相關研究結果近日發表在《自然·通訊》期刊上。

金屬所博士研究生曾豪是論文的第一作者，他介紹，這種柔性單通道多功能熱電半導體傳感器具有優異的性能，應變傳感靈敏度、應變率傳感靈敏度、溫度傳感靈敏度等關鍵指標均優于已報道的同類多模態傳感器。

那么，這項技術有什么用？

于治認為，這項研究將為未來科技發展打開許多激動人心的大門。

更智能的機器人。機器人能像人一樣，在抓取雞蛋時不僅能感知力度，還能感知雞蛋的滑動速度，從而及時調整，以免雞蛋滑落或捏碎雞蛋。

更實用的假肢。截肢者可以通過附著電子皮膚的假肢，同時感受到物體的軟硬、紋理和溫度，獲得更真實的觸覺體驗。

更精準的健康監測。將柔性單通道多功能傳感器做成貼附在人體皮膚上的貼片，可以長期、實時地監測關節活動、肌肉震顫和體溫變化，更好地開展疾病診斷和康復訓練。

下一代人機交互。電子皮膚可以使手機、VR手套等設備的觸控體驗更加豐富和立體。

當前，人工智能、機器人等領域對柔性多功能集成化、微型化的材料和傳感器的需求越來越旺盛。于治表示，當更多特定功能集中于一種材料，必然會大幅減少材料的使用量和成本，可以降低集成和裝配等方面的復雜性。熱電材料與器件課題組近年來通過對碲等半導體材料基本物理特性的不懈探索，為多功能集成的柔性傳感器提供解決思路。未來有望取得更多突破性成果，為電子皮膚真正應用于高端裝備、機器人等提供強有力支撐。

沈報全媒體記者：岳雨