人类皮肤柔软且富有弹性，拥有数百万个神经末梢，可以感知热量和触摸。这使其成为检测和响应外部世界的绝佳工具。在过去的 40 年里，工程师们一直致力于在合成版本中重现这些能力，但这些尝试始终未能达到活体皮肤的多功能性和适应性。然而，现在，新的研究正在增加更多的能力和复杂性，使该领域更接近其最终目标：电子皮肤，或称 e-skin，其用途范围从覆盖机器人到将可穿戴设备粘贴到人体上。有一天，这些设备甚至可能让人类远程控制机器人并“感受”它们检测到的信号。
格拉斯哥大学可弯曲电子和传感技术小组负责人、电子和纳米工程教授拉温德·达希亚说：“在 20 世纪 80 年代，我们开始看到一些触摸传感器，你可以称之为皮肤的粗略版本。” 第一批所谓的柔性传感器阵列是在 20 世纪 80 年代中期制造的。其中一个阵列使用了 Kapton，这是一种在 20 世纪 60 年代发明的柔性但不可拉伸的薄膜，用于支撑红外传感器和探测器的排列。这种“皮肤”包裹在一个简单的机械臂上，使肢体能够与人类芭蕾舞演员“共舞”：如果她距离手臂 20 厘米以内，它就可以感知她的动作并通过自发修改自身动作来做出反应。
但与生物皮肤的能力相比，这些能力仍然非常初级。可用的材料和电子产品在 21 世纪初得到了改进，变得更柔软、更灵活，最重要的是，可拉伸。达希亚说，这些改进使研究人员能够将新的传感器和电子设备集成到完全开发的皮肤系统中。这样的系统包括一个可以弯曲和拉伸的类皮肤基底，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。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
触摸和温度传感器是为此类系统开发的首批传感器。加州理工学院的生物医学工程师魏高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。高说：“我们想创造一种具有物理传感能力的机器人皮肤——基本上是人们已经做的事情。” “此外，我们还想赋予它强大的化学传感能力。” 他的团队的工作在本月早些时候发表在《科学机器人学》杂志上。
高的实验室使用喷墨打印机在柔软的水凝胶基底内分层打印由纳米材料制成的专用墨水——微观金属、碳或其他化合物的混合物。通过使用不同的纳米材料墨水进行打印，每种墨水都配制为检测特定的化学物质，高的团队开发出了可以感知爆炸物、神经毒剂（例如化学战中使用的那些）甚至病毒（例如导致 COVID 的 SARS-CoV-2）的皮肤。研究人员还加入了先前开发的压力和温度传感器。由此产生的电子皮肤看起来像一个透明的创可贴，表面嵌入了金属图案。
生物医学工程师魏高的实验室创造的电子皮肤。放置在人前臂上的贴片可以控制附近的机械臂。当放置在机械手上时，皮肤可以让机器人“感觉”到它握着什么。图片来源：魏高/加州理工学院
感知环境并非这种皮肤的全部功能。高说：“我们还想确保人机交互能够参与其中。” 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，另一个在人体上。皮肤打印过程是可扩展的，因此研究人员能够为机械手打印指尖大小的贴片，并为人体前臂打印更大的贴片。这种皮肤使机器人能够“感觉”到它抓握物体的力度，并感知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连接机器人的能力，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，这种互动有一天可能让机器人代替人类控制器，就像一个物理化身，出现在不适合人类居住的地方。
高的项目需要一个外部设备来处理电子皮肤的传感器数据。使用了多层金属墨水——用于传感和稳定以及将传感器数据无线传输到附近的计算机或手机进行收集和处理的层。但这并不是机器人皮肤分析其拾取信息的唯一方法。其他实验室正在研究能够自行筛选信息的皮肤，类似于人类神经系统的工作方式。
达希亚以人类皮肤为灵感，用于他的电子皮肤的数据处理，这在同样于本月发表的两篇独立的《科学机器人学》文章中进行了描述。他说，使用电子构建块，例如晶体管和电容器，“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，来自传感器的信号必须达到某个阈值才能发送到中央处理器。这减少了任何一次发送的数据量。达希亚解释说：“你不能发送无限的数据。” “如果你想发送大量数据，那么你必须有一些安排，让数据可以排队并等待前面的数据。”
达希亚指出了他的团队开发的触摸传感器，该传感器使用微小的晶体管——控制电流流入和流出其他电子元件的设备——来帮助机器人皮肤感受和学习。按压皮肤中的晶体管会导致电流发生变化，从而使机器人“感觉”到压力。随着时间的推移，它可以调整其对检测到的压力量的反应。“这些都是类似于神经元的晶体管，可以学习，可以适应，”他说。他补充说，皮肤学习了机器人等同于疼痛的东西，因此在感觉到“疼痛”之前不会传输信号。
除了远程控制机器人或教它们适应环境外，电子皮肤还可以有许多其他应用。卡内基梅隆大学的机械工程师卡梅尔·马吉迪说：“我认为，很多机会并非针对机器人。” 他的实验室专门开发用于与人体兼容的电子设备的软性材料。马吉迪设想电子皮肤可以成为机器人以及更普通的物体的良好传感器。例如，它们可以成为交互式电子设备的柔软、柔性触摸板的基础，或者成为能够检测极端温度和其他环境条件的敏感服装或装饰材料的基础。这种皮肤也可能在医学领域有所帮助。马吉迪说：“那里的想法是[你]想要这些机器人皮肤作为可以贴在身上的贴纸，你可以立即跟踪你的生命体征。”
当谈到商业用途时，目前的电子皮肤原型仍然存在需要解决的问题。耐用性是一个重要的问题，高指出。“有很多发展。人们已经非常接近了，”他说。“但[电子皮肤]的关键挑战之一是长期运行的可靠性和稳健性。” 即使存在这些挑战，高说在未来五年内，工业环境中可能会出现机器人皮肤。
关于商业可用性，马吉迪说：“限制因素实际上与其说是机器人皮肤——这些技术已经存在。我认为更多的是需求。” “我们仍然没有家里的机器人。” 但考虑到电子皮肤的所有可能应用，他说与工程领域以外的各方合作至关重要。“那些不是机器人专家的人，那些不是工程师的人，不应该觉得他们参与该领域存在难以逾越的障碍，”他说。马吉迪建议，潜在的合作者可能是使用可以配备电子皮肤传感器的假肢的人，或者患有慢性病并可能从通过可穿戴贴片进行持续监测中受益的人。
他说：“软性机器人技术是如此跨学科。” “你不需要拥有[工程]系或机器人研究所的学位就可以做出重要贡献，并确保这些技术在现实生活中获得成功应用。”