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新突破！英国电子皮肤可附于机械手臂

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在人造皮肤领域，“材料大师”、化学家、斯坦福大学化学工程系主任鲍哲南曾描述过她在电子人造皮肤领域的研究初衷。在包哲南等科学家的设想中，这项黑科技可以辅助假肢理解触摸、弯曲或按压，让装备假肢的群体恢复对外界的真实感知。

其实除了对于人工假肢、医学检测和诊断的应用前景，电子皮肤也可以应用于机器人——提高机器人的柔韧性和延展性，甚至可以让机器人像人类一样对疼痛做出反应。

自电子皮肤发展以来，其厚度和响应速度不断提升。然而，作为一种移动电子设备，电子皮肤的电池寿命也是一个关键问题。

为此，英国格拉斯哥大学的一个研究小组提出了一个方案：利用阳光为电子皮肤提供能量。 2017年3月22日，该团队题为Energy-Autonomous, Flexible, and Transparent Tactile Skin的论文发表在学术期刊Advanced Functional Materials上。

当时，研究团队表示：与其他仅靠电池驱动的材料相比，这种电子皮肤的工作时间会更长，同时也不会像有线电子产品那样受到限制。

时隔三年，英国格拉斯哥大学的研究团队在利用阳光的想法之后，在电子皮肤的电池寿命方面取得了突破。

时隔三年，电子皮肤又一次突破

不久前，英国格拉斯哥大学的一个研究团队在IEEE Transactions on Robotics上发表了一篇题为“Energy Generating Electronic Skin With Intrinsic Tactile Sensing without Touch Sensors”的论文。

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仅基于论文标题知道电子团队设计的皮肤没有配备触摸传感器，可谓完全“自供电”。

多年前，该团队提高电子皮肤电池寿命的方法是添加一个由石墨烯制成的光敏发电传感器。纸也s如何让光伏组件获得充足阳光的关键因素是透明触控感应层的应用。

基于这种方法，电子皮肤变得低能耗，每平方厘米所需的能量为20纳瓦，相当于当年光伏电池的最低水平。

当时，该作品的共同作者之一、格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院柔性电子与传感技术团队的 Ravinder Dahiya 说：我们的下一个计划是深入研究发电技术，支撑整个研究。而假肢的自动驾驶可能会创造一个完全自供电的假肢。

不难发现近三年来，研究团队先“加”再“减”，终于实现了电子皮肤的自供能量。

当电子皮肤遇到太阳能电池

那么，它自供能量的原理是什么？

根据论文，大量传感器和读出电子设备的连续运行对于满足电子皮肤的能耗要求具有挑战性。因此，研究团队首次提出了一种无需任何触摸传感器的内置触觉感应的自供电电子皮肤（以下简称eSkin）。

eSkin 包括分布在柔软柔性基板上的微型太阳能电池和红外发光二极管 (IRLED) 阵列。据了解，这些太阳能电池不仅可以自行发电，还可以产生一些额外的能量，可以提供触摸和近距离感知触觉功能。通过读取太阳能电池和发光二极管的能量输出变化，eSkin 可以感知距离和物体位置等多个参数。

具体原理是：当受到光源照射时，太阳能电池会产生能量；如果电池（或eSkin）被附近的物体挡住，那么当电池与物体接触时，光强度（即产生的能量）会降为零，eSkin就会确认触摸。在这种情况下，eSkin 接收到的光线强度与 eSkin 与物体之间的距离密切相关。

正如 Ravinder Dahiya 所说：通过实时比较光强，然后进行校准，可以确定 eSkin 与物体之间的距离。

为了验证这个想法的可行性，研究团队将 eSkin 贴在 3D 打印机器上，并记录了它与环境的相互作用。下图的底部显示了覆盖eSkin的机器人手的3个子系统，从下到上分别是能量管理、传感和驱动。

研究团队发现，只有手掌区域可以产生 383.6 mW 的能量。他们想象如果eSkin覆盖整个身体（大约1.5平方米的面积），eSkin可以产生超过100W的能量。如下图所示，eSkin 可以对接近它的不同物体进行定位、边缘检测和三维形状评估。

不仅如此，他们还将eSkin应用到工业机械臂上，发现可以安全地实现人机交互。

文章来源：《电子设计工程》网址: http://www.dzsjgc.cn/zonghexinwen/2021/0625/1411.html