电子皮肤：使人类有了感知机器人的能力

M. D. Samuels 脑机接口社区 2023-05-13

放置在人体皮肤上的电子皮肤对用于远程控制机器人的表面肌电信号进行解码

人的皮肤柔软而具有弹性，有数百万个能感知冷热和触觉的神经末梢。这使其成为检测和响应外部世界的极好工具。在过去的 40 年里，学者们一直致力于在人工皮肤中实现这些功能，但这种尝试始终未能实现人体皮肤的多功能性和适应性。然而，现在，新的研究增加了更多的功能和复杂性，使该领域更接近其最终目标：电子皮肤，其用途从覆盖机器人到将可穿戴设备粘贴到人的身上。有一天，这些设备甚至可以让人类远程控制机器人并“感受”它们检测到的信号。

Wireless sensor detects an enzyme released by infection. Credit: Ze Xiong

“在 1980 年代，可以称之为粗糙版皮肤的触摸传感器开始出现，”Glasgow大学电子和纳米工程教授、可弯曲电子和传感技术小组的负责人 Ravinder Dahiya 说。第一个柔性传感器阵列建于 1980 年代中期。其中一个阵列使用的是 Kapton薄膜，这是一种 1960 年代发明的柔性但不可拉伸的薄膜，这种薄膜可以支持红外传感器和探测器。这种“皮肤”包裹在一个简单的机械臂上，这使得机械臂可以与人类芭蕾舞演员“跳舞”：如果舞蹈演员在机械臂的 20 厘米以内，机械臂可以感知她的动作并自发地调整自己的动作来做出反应。

但与生物皮肤相比，以上实现的能力还是十分初级的。在 21世纪，可用的材料和电子产品变得更柔软、更灵活，最重要的是，还具有可拉伸性。Dahiya 说，这些改进使研究人员能够将新的传感器和电子设备整合到一个成熟的皮肤系统中。系统包括一个可以弯曲和伸展的皮肤状底座，配备电源、各种传感器以及将传感器信息发送到中央处理器的方法。

触摸传感器和温度传感器首次开发并运用到这种系统上。California理工学院的生物医学工程师 Wei Gao 决定尝试将这些传感器与可以检测化学物质的传感器结合起来。“我们想创造一种具有物理感知能力的机器人皮肤，”Gao说。“此外，我们希望赋予它强大的化学感应能力。”他团队的工作于本月初发表在期刊 Science Robotics上。

Gao的实验室使用喷墨打印机将一种由纳米材料（金属、碳或其他化合物的微小混合物）制成的专用墨水铺在柔软的水凝胶基底中。使用不同的纳米材料墨水进行打印，每种墨水都可以检测特定的化学物质，Gao 的团队开发了可以感知爆炸物、神经毒剂（例如化学战中使用的化学物质）甚至病毒（例如引起 COVID 的 SARS-CoV-2）的皮肤。研究人员还结合了先前开发的压力传感器和温度传感器。最终制成的电子皮肤看起来像一个表面镶嵌有金属图案的透明创可贴。

生物医学工程师 Wei Gao 实验室制造的电子皮肤。放置在人类前臂上的贴片可以控制贴片附近的机械臂。当电子皮肤放置在机器人手上时，电子皮肤让机器人“感受”它所握的东西。

这种皮肤的功能不仅仅是感知环境。“我们还想确保可以实现人机交互，”Gao说。为了实现这一目标，该团队开发了一个人工智能程序，以实现两个电子皮肤贴片之间的连接——一个在机器人上，另一个在人身上。电子皮肤打印过程是可扩展的，因此研究人员能够为机器手打印指尖大小的贴片，为人类前臂打印更大的贴片。这种皮肤使机器人能够“感觉到”它抓紧物体的程度，并感知该物体是否涂有特定的化学物质。与此同时，人类获得了远程控制机器人的能力，并在机器人检测到这些化学物质时感受到来自机器人的电信号。研究人员表示，这种人机互动有朝一日可能会使机器人在不适合人类居住的地方代替人类进行控制。

Gao的项目需要一个外部设备来处理电子皮肤的传感器数据。实验人员使用了多层金属墨水——用于传感和稳定，并将传感器数据无线传输到附近的计算机或手机以进行收集和处理。但这并不是机器人皮肤分析其获取的信息的唯一方法。其他实验室正在研究类似于人类神经系统对信息进行分类的皮肤。

Dahiya 使用人类皮肤作为他的电子皮肤数据处理的灵感，在本月发表在期刊Science Robotics的文章中进行了阐述。他说，使用晶体管和电容器等电子构件，“我们可以开发出类似于外周神经系统的东西。”在他的系统中，来自传感器的信号在发送到中央处理器之前必须达到某个阈值。这种设置减少了每次发送的数据量。“你不能无限的发送数据，”Dahiya 解释说。“如果你想发送大量的数据，你需要安排数据，让数据排好队，等待前面的数据执行完再依次执行。”

Dahiya 的团队开发了一种触摸传感器，该传感器使用微型晶体管（控制与其他电子元件之间的电流流动的设备）来帮助机器人皮肤感觉和学习。按压皮肤中的晶体管会导致电流发生变化，从而使机器人“感受到”压力。随着时间的推移，它可以根据检测到的压力量调整相应的响应。“这些都是类似神经的晶体管，可以学习，可以调整，”他说。他补充说，电子皮肤学会了与机器人等效的疼痛感知，因此在感觉到“疼痛”之前电子皮肤不会传递信号。

除了远程控制机器人或教它们适应环境之外，电子皮肤还有许多其他应用。“我认为，很多机会并全是是机器人的，”Carnegie Mellon大学的机械工程师 Carmel Majidi 说，他的实验室专门开发与人类兼容的电子产品开发软材料。Majidi 设想电子皮肤可以为机器人制造良好的传感器，也可以适用于更普通的物体。例如，它们可以为交互式电子设备提供柔软、灵活的触摸板。或者用于敏感服装或室内装潢，以检测极端温度和其他环境条件。这种皮肤也可能有助于医学的发展。“希望这些电子皮肤作为贴纸贴在人身上，并可以追踪人的生命体征，”Majidi 说。

在商业用途方面，目前的电子皮肤仍有问题需要解决。Gao指出，产品的耐用性很重要。“但电子皮肤的主要挑战之一是长期运行的可靠性和健壮性。”即使面临这样的挑战，Gao说未来五年内，电子皮肤可能会首先出现在工业环境中。

“限制发展的因素实际上并不在技术。我认为这更多的因素是需求，”Majidi谈到商业可用性时说。“在人们的家中安装机器人并没有普及。”但对于电子皮肤的所有可能应用而言，与工程领域以外的各方合作至关重要。“不是机器人专家、不是工程师的人，不应该觉得他们进入该领域非常困难，”他说。Majidi 表示，潜在的合作者可能是使用可配备电子皮肤传感器的假肢的人，或者是患有慢性疾病并可能受益于通过可穿戴贴片进行持续监测的人。

参考：

https://www.scientificamerican.com/article/electronic-skin-lets-humans-feel-what-robots-do-mdash-and-vice-versa/

https://www.scientificamerican.com/article/gel-based-sensor-continuously-monitors-wounds-for-infection/

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