電子皮膚，一種可以讓機器人產生觸覺的系統，其結構簡單，可被加工成各種形狀，能像衣服一樣附著在設備表面，能夠讓機器人感知到物體的地點和方位以及硬度等信息。該項技術關鍵點在於一種名為QCT的複合材料，由美國麻省理工學院的技術人員研發而成。其他類似發明還有日本和飛利浦公司研製的電子皮膚。
基本介紹
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產生背景
在古代亞洲和歐洲，“割肉補瘡”有近2500年的歷史，只不過考慮當時的醫療和麻醉水平，這似乎更是一種酷刑。現代植皮手術最早出現在19世紀末。數據顯示，全世界每年接受皮膚移植的患者人數近20萬，存在不可恢復性皮膚創傷且尚未接受植皮手術的患者總數超過400萬。
對皮膚組織的不可修復性損壞，考慮到身體排斥性反應，植皮幾乎是唯一選擇。醫生主要靠切取患者自身或他人皮膚進行移植修復，難以忍受疼痛不說，還會在患者取皮部位留下新創傷，身體和心靈的創痕往往難以磨滅。
此外，大面積皮膚損傷患者的植皮來源也是問題。移植後的皮膚十分脆弱，還存在觸覺減弱、免疫力下降等後遺症。在各國科學家的努力下，超仿真電子皮膚模型正在成熟。如果投入人體試驗，這將是患者的福音。
主要功能
電子皮膚模擬、還原甚至取代機體皮膚，首先要具備感覺和觸覺，即與人體皮膚一樣感知不同外界壓力，暢通傳導觸覺信號的最基本功能。
時隔兩年，該研究團隊又在特殊塑膠薄膜中重疊嵌入分別感知壓力和溫度的兩組電晶體，在電晶體電線交叉的位置使用微感測器記錄電流起伏，可判斷出日常溫度和每平方厘米300克以上的壓力。此外，這種電子皮膚成本相當廉價，每平方米只需100日元（約1美元）。
美國加州大學伯克利分校研究團隊設計出的電子皮膚，可辨別更細微的壓強，這種由聚合樹脂和敏感橡膠覆蓋鍺矽混合納米線製成的皮膚，可感知50克以下的細微壓力。
隨著尖端材料科學研究的深入，石墨烯、碳納米等特殊材料因超輕薄、韌性強、電阻率小等優良特性，被科學家認為是電子皮膚的優良“基底”。例如，由中國研究人員使用碳納米管感測器製成的高靈敏度皮膚，甚至可感知到20毫克螞蟻的重量。
英國劍橋大學的研究人員，也正在嘗試將隨意拉伸和變形的電路移植到透明的彈性矽膠上，力圖賦予電子皮膚更多近似人體皮膚的物理特性。按照設計，這種電子皮膚可包裹四肢與手臂，有望套用於皮膚移植。
然而，電子皮膚真正移植於機體前，還要考慮皮膚內部的生理功能與結構問題。電子皮膚與周圍正常皮膚的神經、肌肉、淋巴及腺體等和諧共生，將感知的觸覺反饋給神經細胞，並接受神經精確無誤的指令傳輸，這都是科學家們下一步努力的方向。
技術原理
皮膚搭起“橋樑”
電子皮膚的套用絕不局限在醫學領域，同3D列印、大數據等創新科技成果一樣，電子皮膚將為某些領域帶來質的改變。
目前，即便世界上最逼真、最仿生的義肢，也難以實現觸覺的突破。具有觸感能力的電子皮膚，卻完全能使假肢理解觸摸、彎曲或按壓等動作，幫助配有假肢的人恢復感覺。
跳出醫學領域，電子皮膚無疑將是研發智慧型機器人領域的革命。機器人設計雖早已實現視覺和聽覺等功能，並能進行一些複雜的技術操作，但由於皮膚恰恰是機器人技術研發中容易被忽視的部分，直接導致笨重的“盔甲”往往難以檢測多方向的觸覺三維力，難以體會拿起一個蘋果或一個杯子所需力量的差異。
具備良好壓敏特性和柔韌性的電子皮膚可解決機器人設計的難題，它既能幫助機器人敏感獲知環境信息，又賦予了其機械靈活性。
對引導未來IT潮流的可穿戴設備，電子皮膚也大有可為。作為一種可嵌入或覆蓋人體的高精尖設備，未來不需要給慢性病患佩戴電子監視設備來跟蹤心率、血壓、血糖等指標，電子皮膚就是人體健康最好的指示標。
例如電子皮膚與智慧型手錶和腕帶等結合，只需要把電子皮膚輸出的電學圖形信號加以比對分析，就可實現“智慧型把脈”。科學家還構想，利用裝有電子皮膚的設備監測咽喉部肌肉運動產生的微弱壓力變化，完全可將壓力變化信號轉化為語音，為聾啞人群充當“傳聲筒”。
電子皮膚正在超越皮膚本身的屬性。從技術趨勢來看，電子皮膚為假肢製造、機器人設計、可穿戴設備等領域搭起了橋樑。
技術研發
美國
該系統結構簡單，可被加工成各種形狀，能像衣服一樣附著在設備表面。其技術關鍵點在於一種被稱為QCT的量子隧道複合材料。
與以往類似的材料相比，QCT材料不但能感知物體的硬度還能監測到物體的硬度等級。此外，藉助XY掃描技術，使用QCT技術的機器人還能獲得不同區域（如前臂、肩部和軀幹）的綜合知覺信息。
QCT是一種金屬活性聚合材料，由金屬或非金屬碎料壓制而成，這種材料能對微小的壓力和觸感進行測量並通過電阻值的變化反饋給電路，這就如同通過調光開關控制燈泡的亮度一樣。由於QCT自身所具備的這種獨特性能，它可被製作成各種形狀和大小的壓敏開關。通過絲網印刷後的QCT材料的厚度可薄至75微米。
QCT的運行功耗極低，整個系統無移動部件，可直接與物體接觸而無需任何空氣層。這使得其十分可靠，可被一體化集成到超薄電子設備中，同時還具備極長的運行壽命。
QCT技術已先期在美國宇航局的Robonaut機器人項目上獲得了套用，其先進的感測技術和機械臂在世界均屬領先。研究人員下一步的目標是讓機器人具有與人類更為接近的觸覺並增強其與人類的互動能力。
日本
日本科學家發明的電子皮膚由橡膠、導電石墨和新型電晶體組成。
電子皮膚在橡膠聚合體裡面加入電感測石墨薄片。當受到觸碰的時候，它的電阻會發生變化，這些變化立即被藏在皮膚表層下面的一系列電晶體察覺到。
主要的困難在於讓這個裝置的反應變得像真人皮膚一樣靈活，最終能夠穿在機器人的手臂上。傳統微型晶片的電晶體是由矽材料製成的，堅硬易碎。但是日本科學家使用一種叫做並五苯的柔軟的有機材料代替製造電晶體。電子皮膚的感測器系統由32*32的軟材料電晶體方陣組成，每個2.5平方毫米。科學家希望能夠造出比這還小100倍的電晶體出來。這種電子皮膚能夠被大幅度彎折而不會破壞電晶體，甚至把它包在2毫米直徑的棒上仍能繼續工作。
日本科學家希望為他們的人造皮膚加上更多的功能，他們還想讓它變得更有彈性，現在它們更像一張紙，能夠彎折但沒有彈性。
哈佛大學專門研究機器人觸覺的羅伯特-豪認為這非常困難，他還對電子皮膚的影響持保留意見，認為大多數類似的設計都沒有走出實驗室。
飛利浦公司
飛利浦研究實驗室2009年底宣布他們已經完成一項新的技術E-skin（電子皮膚），主要用於產品的外觀裝飾。電子皮膚是飛利浦正在進行的電子紙研究的一部分，使用這項技術可以對各種產品覆蓋一層“變色皮膚”。
電子皮膚可以覆蓋在各種設備上，不需要使用背光光源，它可以接受周圍環境的光線來實現顏色適配和節能，在戶外也能像油漆一樣保持色彩明亮生動。這項新技術初期將用於手機、MP3等小型設備的外觀增強，未來有可能進行大面積使用，例如給整個房間安裝電子壁紙。‘
人造電子皮膚更接近人類
美國史丹福大學女科學家鮑哲南對人造電子皮膚的研究再上一層樓，繼高靈敏度和自我發電兩大創新之後，她的研究團隊又為這種超級皮膚增加了透明和可拉伸功能，為人造電子皮膚更接近人類皮膚賦予重要意義。
史丹福大學化學工程系副教授鮑哲南去年9月 和她的博士生、研究生團隊發明了一種可模擬人類皮膚的高靈敏度柔性塑膠薄膜材料。這種材料由高靈敏的電子感應器組成，當無數的感應器連成一片時，就形成與人類皮膚相似的薄膜。這種電子皮膚可以感知一隻蝴蝶停在上面的壓力，可以被廣泛用於假肢、機器人、手機和電腦的觸摸式顯示屏、汽車方向盤和醫學等。今年2月，鮑哲南團隊再接再厲，創造性研製出世界最新的可拉伸太陽能電池，使電子皮膚可以實現自我發電。如今，鮑哲南團隊又利用納米材料為這種皮膚增加了透明和可拉伸功能，距離人類皮膚的功能越來越近。
鮑哲南表示，去年發明的電子皮膚雖然可以很靈敏檢測到觸覺，也可以彎曲，卻沒有拉伸的功能，彎曲多了還會裂開，原因就在於電極的拉伸性不理想。“我們將這種 無機材料製成的電極更換為帶有導電功能的碳納米管，放在透明的襯底上。由於碳納米管具有非常好的柔軟性，可以拉伸兩倍以上，回復原位形成小彈簧形狀，還能保持非常高的導電率，同時具有透明度”。這種透明功能使得電子皮膚可以模仿人類不同膚色的皮膚。
也有科學家同時在研究人造電子皮膚的可拉伸性，但存在這樣那樣的問題。鮑哲南說，“有的導電率高卻因需加很多碳納米管造成不透明，有的雖可以拉伸卻降低很多 導電率。我們克服了這些問題，把碳納米管變成小彈簧，既簡單又可以得到非常好的性能，拉伸幅度最大，導電率最高，比較實用，可以做大面積的，也容易做。”
將人造電子皮膚最終賦予與人類皮膚同等功能是鮑哲南的長期研究目標，她表示，要達到這個目標還需要增加溫度、濕度等感測器，並能與神經細胞交流。“現在的感測器還不能與神經細胞交流，還需要用電線與細胞連線起來。這些都是我們需要研究的。”
研發電子皮膚
香港城市大學參與的跨院校研究團隊，成功研發出一套“皮膚集成的觸覺界面”系統。通過緊貼皮膚的無線致動器，將能源轉換成機械動能，將觸覺刺激傳送到人體。這項研究成果不但可套用在社交媒體及電子遊戲上，也可以幫助義肢使用者透過觸覺感應外在環境。
